ALICE実験、極限衝突下での軽原子核生成の長年の謎を解明

欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）におけるA Large Ion Collider Experiment（ALICE）の科学者チームは、重イオン衝突のような極限的な粒子衝突環境下で、重水素核（デューテロン）や反重水素核といった軽原子核がどのように生成され、その構造を維持するのかという長年の難問に対する決定的な解明を発表した。この成果は、2025年12月10日に学術誌『Nature』に詳細が掲載された。 この研究は、太陽中心部の温度の10万倍を超える極高温環境下で、なぜこれらの壊れやすい構造が崩壊せずに存在できるのかという核物理学における長年の謎を解消するものである。 ALICE実験は、宇宙の初期の瞬間に匹敵する条件を再現し、クォーク・グルーオン・プラズマがどのようにして安定した物質へと進化するかを理解するために機能する。 この実験は、原子核を結合させる基本的な力である「強い相互作用」の理解に不可欠な進歩をもたらす。 ALICE実験は、強い相互作用の特性を研究するために最適化されている。

ミュンヘン工科大学（TUM）の研究者らが主導したこの研究は、LHCの第2サイクルの間に記録された高エネルギー陽子衝突のデータを活用し、軽原子核の主要な形成経路を確立した。 中心的な発見は、原子核を構成する陽子と中性子が、衝突の瞬間に既に存在しているという従来の仮説を覆すものであった。 代わりに、この調査は、これらの構成粒子が、共鳴（レゾナンス）と呼ばれる短寿命のエネルギー粒子状態の連続的な崩壊、特にΔ(1232)共鳴から生じることを実証した。 ALICE検出器による測定では、観測された（反）重水素核の約90パーセントが、この特定の共鳴崩壊経路を通じて形成されることが示された。

この形成プロセスは、衝突システムが膨張し冷却する過程で発生し、新たに生成された陽子や中性子が、比較的穏やかな環境下で最終状態の核融合を通じて結合することを可能にする。 TUMのローラ・ファッビエッティ教授は、実験的証拠が、軽原子核は相互作用が最も激しい初期段階ではなく、「いくらか冷たく穏やかになった」条件下で凝集することを確認したと述べている。 この新たな理解は、基礎核物理学にとって重要な一歩であるだけでなく、天体物理学や宇宙論にも広範な影響を及ぼす。 軽原子核や反原子核は、宇宙線と星間物質との相互作用や、ダークマターの生成過程でも生じると考えられている。 TUMのDr. マクシミリアン・マーラインは、これらの結果が、宇宙線データの解釈を洗練させる上で特に、天体物理学に関連していると指摘した。

この基礎物理学研究の文脈として、TUMとルートヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘン（LMU）の研究者が関与するORIGINSクラスター・オブ・エクセレンスは、2025年5月に第2期資金提供の承認を得た。 また、CERNでの共同研究への貢献が認められ、2025年4月5日には、ファッビエッティ教授とルーカス・ハインリッヒ教授が2025年基礎物理学ブレークスルー賞を共同受賞した。 この賞金300万米ドルのうち、ALICEコラボレーションに割り当てられた分は、CERNでの研究時間を過ごす博士課程の学生への助成金としてCERN & Society Foundationに寄付された。 ALICE実験は、LHCのRun 3およびRun 4（2032年末まで）で能力を高めるために2021年に検出器の大幅なアップグレードを完了しており、次の世代の実験であるALICE 3の計画も進行中である。