研究には、英エディンバラ大学、米国のチャップマン大学、ヴァンダービルト大学、独ドルトムント工科大学、ポルトガルのアベイロ大学などが参加。研究論文は、「The European Physical Journal C」に掲載された。
グルーオンは強い相互作用(クォークおよびグルーオンの間に働く力)を媒介する素粒子である。原子核を構成する陽子や中性子などの粒子は、強い相互作用で結びついたクォークによってつくられる。このとき、クォーク間でグルーオンが交換されることによって、強い相互作用が媒介されると考えられている。
これは粒子間の電磁相互作用が光子の交換によって媒介されることと似ているが、光子が電荷をもたないため光子同士の間に電磁相互作用が働かないのに対して、強い相互作用の場合には力の媒介粒子であるグルーオン自体が量子色力学(QCD)でいうところの色荷をもっているため、グルーオン同士にも強い相互作用が働く。
グルーオン間の相互作用によって形成されるひも状の場は「フラックス・チューブ」と呼ばれている。陽子や中性子などのハドロン粒子から、クォークやグルーオンなどの素粒子を単独で取り出すことはできていないが、これはクォーク同士を引き離そうとすると長距離でのフラックス・チューブのエネルギーが強くなり、クォークをハドロン粒子内に閉じ込めてしまうためであると説明される。
一方、宇宙誕生直後や、加速器内での重イオン衝突実験などでつくりだされる高温高密度状態では、陽子や中性子にクォークやグルーオンが閉じ込められずに自由に動き出すクォーク・グルーオン・プラズマ(QGP)の状態が実現すると考えられている。実際に、2005年には米ブルックヘブン国立研究所の相対論的重イオン衝突型加速器(RHIC)における実験でQGP状態が再現されたと報告されている。
今回の研究では、宇宙初期における高エネルギーでのQGP状態でフラックス・チューブに何が起こるかが検討された。それによると、このような高エネルギー状態においてクォークと反クォークのペアが大量に生成消滅することによって、無数のフラックス・チューブが形成されると考えられるという。
通常、クォーク・反クォーク対が接触するとフラックス・チューブは消滅してしまうが、これには例外もあり、ひも状のフラックス・チューブが結び目を形成するような場合にはチューブが安定して存在できるようになり、素粒子よりも長く存続するようになる。
たとえば、ある素粒子の軌跡が止め結び(オーバーハンドノット)の形を描いたとすると、それに対応したフラックス・チューブは三つ葉結びの形になる。この状態で結び目をつくったフラックス・チューブは、チューブによって結びついていたもとの素粒子のペアが消滅した後にも残るという。また、複数のフラックス・チューブが連結した場合にも、安定したフラックス・チューブの結び目が形成される。
このような過程を経て、初期宇宙の高エネルギー状態では宇宙全体にフラックス・チューブの固い結び目のネットワークが充満していったと研究チームは考えている。そして、このネットワークがどの程度のエネルギーをもつことになるか計算したところ、誕生直後の宇宙の急激な膨張(インフレーション)が起こるのに必要なだけのエネルギーを供給できることがわかったとする。
一度はじまったインフレーションが急に終わってしまった理由も、フラックス・チューブ理論から上手く説明できると研究チームは主張している。宇宙が急速に膨張していく過程でフラックス・チューブのネットワークが崩壊して分解していくため、宇宙がそれ以上インフレーションを続けるためのエネルギー源が失われるのだという。
フラックス・チューブのネットワークが分解すると、原子以下の粒子と放射線で宇宙が満たされることになり、これがその後の宇宙の進化のもとになったと考えられる。
（>>2につづく）
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