物質は原子からできています。原子の中心には陽子と中性子が集まった原子核があり、その周囲に電子があります。CERNの大型ハドロン衝突型加速器LHCでは、鉛の原子から電子を取り除いて電気を帯びた「鉛イオン」をつくり、二方向からほぼ光の速さまで加速します。鉛の原子核には多くの陽子と中性子があるため、衝突したとき、小さな場所へ非常に大きなエネルギーを集中できます。

陽子と中性子の中にはクォークがあり、それらをグルーオンが強い力で結び付けています。普段、クォークを一個だけ外へ取り出すことはできません。これを「閉じ込め」と呼びます。しかし原子核同士が激しく衝突すると、温度は太陽中心の十万倍を超えるほどになり、クォークとグルーオンが個々の陽子や中性子の境界を越えて動く「クォーク・グルーオン・プラズマ」ができます。

「プラズマ」という言葉は、蛍光灯や雷で使われる電子と原子核のプラズマにも登場しますが、ここではさらに小さな構成要素であるクォークとグルーオンの物質状態を指します。同じ名前でも、中で自由に動く粒子が違います。

「小さなビッグバン」という呼び名は、強い印象を与えます。ただし、LHCの中で新しい宇宙をつくったり、空間そのものを爆発させたりするわけではありません。似ているのは、ビッグバン後の数百万分の一秒ごろに宇宙を満たしていたと考えられる、非常に高温で密度の高い物質の条件です。

本物の初期宇宙は、ほぼ一様に満たされた空間全体が膨張しながら冷えました。重イオン衝突では、二つの原子核がつくる小さく不均一な領域が、周囲の真空へ急速に広がります。大きさ、寿命、形、膨張の仕方は大きく違います。それでも、同じ物理法則で動くクォークとグルーオンを実験室で調べられることに価値があります。

また、日常の「温度」は一つ一つの粒子の熱さではなく、多数の粒子の運動をまとめて表した量です。小さな領域でも、十分な数の粒子が集団として振る舞えば、温度、圧力、粘性、音速など、物質全体の性質を考えられます。粒子物理と流体の考えが同じ実験で出会うところが、この研究の面白さです。

近年は鉛同士だけでなく、陽子同士、陽子と鉛、酸素やネオンなど、異なる大きさの衝突も比較されています。小さな衝突系でも、粒子が集団で流れるような模様が現れることがあります。どの大きさからクォーク・グルーオン・プラズマと呼べるのか、最小の液滴はどれほどか、初めの形が最後の粒子へどう残るのかは、現在も研究中です。

理論の中心には、強い相互作用を説明する量子色力学QCDがあります。「色」という言葉は目に見える色ではなく、クォークとグルーオンが持つ量子的な性質の名前です。温度が下がるとクォークが再び粒子へ閉じ込められる過程を、計算、衝突実験、宇宙や中性子星の観測から確かめます。

科学記事を読むときは「再現した」という言葉の範囲を確認してください。何を同じにし、何が違うのか。温度、密度、粒子の種類は似せられても、宇宙の大きさや時間の流れを同じにしたわけではありません。この区別が、派手な見出しから本当の発見を読み取る力になります。