素粒子物理学
量子色力学（QCD）
高エネルギー光子が核場で電子–陽電子対を生成し、検出器の磁場中で螺旋状の軌跡を描く様子を観察します。光子エネルギーと磁場を変え、しきい値 MeV と軌跡半径 が B に反比例することを確かめます。
器具
- 磁場と核のクーロン場を持つ仮想検出器
- 光子エネルギースライダー（MeV 読み出し）
- 磁場スライダー（テスラ読み出し）
- 「エネルギー分配を変更」ボタン（対への分配を変更）
- 一時停止ボタンと3Dキャンバス上の左右逆の螺旋軌跡
手順
しきい値以上で対生成
光子エネルギーを 1 MeV 未満に下げると「しきい値 1.022 MeV 未満」と表示され対は生成しません。数十 MeV に上げると光子は電子と陽電子になります。しきい値は二粒子の静止エネルギー MeV です。
磁場中の軌跡半径を読む
エネルギー一定のまま、逆向きに巻く二本の軌跡を観察します。電子と陽電子は逆の電荷を持ちます。磁場スライダー B を下げると螺旋が広がります。半径 は B に反比例するからです。これが検出器が荷電粒子の運動量を測る原理です。
エネルギー分配を変えてシャワーを比較
「エネルギー分配を変更」を押すと光子エネルギーの配分が変わり、低エネルギー側の軌跡はより密に巻きます。Eγ を最大にすると二次粒子の軌跡が増え、実検出器で QCD がクォーク/グルーオンをハドロン化して生む粒子シャワーを示唆します。
シミュレーション
実験の歴史
対生成 γ → e⁺e⁻ は1920年代末の量子電磁力学で予言され、霧箱で初めて観測されました。1932年にカール・アンダーソンは本シミュレーションが示す磁場中の曲がり方そのものを使って宇宙線から陽電子を発見しました。
量子色力学は1970年代初頭に築かれました。マリー・ゲルマンがクォーク模型（1964年）から「色」電荷の枠組みを与え、1973年にデヴィッド・グロス、フランク・ウィルチェック、デヴィッド・ポリッツァーが強い相互作用が短距離で弱まる「漸近的自由」を示しました。クォークが単独で現れず検出器にハドロンシャワーとしてだけ現れる理由をこれが説明します。