1. 原子核はフェムトの世界

原子はおよそ直径0.1ナノメートル（100億分の1m）程度という微小なものですが、その中心には直径が数フェムトメートル(1000兆分の1m)という更に微小な原子核があります。われわれは、この原子核の物理的性質を、様々な実験的な手段を駆使して研究しています。

陽子や中性子が初期宇宙でどのように生じたか、多様な元素がどのように作られたか、などの根源的な謎を解くとともに、物質質量の起源の理解、物理定数の決定、量子力学の検証など、基礎物理学の重要課題にも取り組んでいます。

1.1 原子核は何から出来ているのか

1.2 原子核を熱する・圧縮する

温度や圧力を変化させ、物質の「相」(気相・液相・固相)がどのように変化するかを調べることは、物質研究の基本です。理論的には、原子核を熱したり圧縮したりすると、陽子や中性子の中のクォークとグルーオンが「溶けた」状態、「クォーク・グルーオン・プラズマ」という新しい物質相が生じると予言されています(図1)。ビッグバン直後の宇宙は非常に高温のクォーク・グルーオン・プラズマで、宇宙が冷える過程で陽子と中性子が生じたと考えられているのです。

これを実験的に検証することは最近まで困難でしたが、原子核同士を非常に高エネルギーで衝突させる加速器の登場で、初期宇宙の片鱗を実験室内で調べることが可能になりました。

図1:原子核物質の相図。高温・高密度ではクォークとグルーオンが飛び交い、低温・低密度になるとクォークが３個ずつ入った陽子と中性子が出現することを模式的に示しています。

1.3 陽子質量の謎

図1の模式図にも示したように、陽子にはクォーク3個が閉じ込められていますが、 クォーク3個分の質量を足しても、陽子の質量の数%にもなりません。陽子がどのようにして「原料」よりもはるかに大きな質量を獲得するのかは、未だに十分に理解されていない謎ですが、最近ようやく陽子質量の謎を実験的に解明する糸口が得られるようになりました。

2. 研究手段

「フェムトの世界」は直接見たり触ったりすることが出来ないので、この世界の様々な謎を解明するには、次のような特別な実験手段や装置が必要です：