クォーク物理学研究室では、粒子加速器を用いた高エネルギー原子核衝突の実験的研究により、ビッグバン直後の宇宙を満たした物質状態 「クォーク・グルーオン・プラズマ」 を実験室中に再現し、そこで発現する多様な素粒子物理現象を探求します。壮大な宇宙創成の重要な一場面の実験的解明を通した宇宙創成のシナリオ完成が究極の目標です。
ビッグバン直後、わずか数十万分の一秒の間、 高温高密度の宇宙はクォーク・グルーオン・プラズマと呼ばれる現在とは全く異なった物質状態にありました。クォーク物理学研究室では、このクォーク物質状態の探求のため、世界中の研究者との国際研究協力体制を構築し、世界最先端の研究を推進しています。米国ニューヨーク州郊外のブルックヘブン国立研究所において 2000 年に稼働した、世界初の原子核衝突型加速器 RHIC を用いた国際共同実験研究 PHENIX では、金原子核同士の高エネルギー衝突中に未知の物質状態、すなわち前述のクォーク・グルーオン・プラズマを発見し、積年の探索に終止符を打ちました。さらに、理論的予想を大きく覆し、このクォーク物質状態がほぼ完全な流体としての性質を示すことを発見しました。この（古くて）新しいクォーク物質状態のさらなる性質解明のため、2009 年からは欧州合同原子核研究機構（CERN）の新世代加速器 LHC において国際共同実験研究 ALICE を日本グループの中心として進めています。
欧州合同原子核研究機構（CERN）は、スイス・ジュネーブ郊外に位置する、世界最大最先端の素粒子・原子核物理学研究所です。LHC 加速器は、スイスからフランス国境に跨る周長 27 km の大型原子核衝突型加速器で、前述の RHIC 加速器の 28 倍も高いエネルギーでの衝突実験が可能です。ALICE 実験には世界 30 か国以上から約 1,200 人の研究者が参加し、この世界最新鋭の粒子加速器を利用して、クォーク物質の性質の包括的な理解に挑んでいます。
ビッグバンにより高温の火の玉として誕生した宇宙は、膨張により急激に温度を下げながら、最初の数分間でヘリウムなどの軽い原子核と電子などに満たされた状態に落ち着きます。その過程でビッグバンから数十万分の一秒後には、素粒子であるクォークはハドロンと呼ばれる陽子や中性子などに閉じ込められ、その後 138 億年間に亘り解放されることはありませんでした。クォーク物理学は、高エネルギー原子核衝突を用いて、この宇宙の進化の歴史をビッグバンに向けて遡り、極初期宇宙を満たした物質状態を実験室中で再現して、高温高密度のクォーク物質の性質を明らかにし、宇宙創成のシナリオ解明に挑む学問分野です。
最新の素粒子・宇宙論において、真空は万物の起源と捉えられています。真空に対する現時点の理解は不十分で、その顕著なものが宇宙の95%を占める暗黒成分です。現状、これらは重力の窓（時空の歪み）を通じてのみ観測されています。ビックバン後の宇宙膨張により温度が下がるにつれて、様々な力を担う素粒子たちが分岐を始めます。そのうち、核力を担うクォーク・グルーオン群を内包する真空は相転移を起こし、陽子や中性子など“既知の重い物質の大部分”に転化しました。同時に真空は、これまで地上の観測網を逃れてきた“未知の暗黒成分”にも転化し得ます。光で暗闇を照らすと光の散乱を通じて物質が浮かび上がるのと同様に、極限的に強い光で真っ暗な真空を照らせば暗黒成分が散乱を通じて浮かび上がる可能性があります。クォーク物理学研究室では、高強度コヒーレント光源による暗黒場の直接生成を介した探索を試みています。
暗黒成分を除く宇宙を構成する物質の99%以上は、気体が電離したプラズマ状態にあると考えられています。電離した荷電粒子の個々はローレンツ力を受けて磁場の周りを螺旋運動しますが、荷電粒子の集団は各粒子間で影響を及ぼしあい複雑な振る舞いを示します。プラズマ物理学は荷電粒子の集団運動を探求する学問であり、産業応用から宇宙・天体物理まで幅広い分野と強く関連しています。特にプラズマのマクロな時空間発展を記述する磁気流体力学は、熱核融合プラズマや宇宙・天体プラズマの最も重要な基礎理論の一つで、かつ難解です。クォーク物理学研究室では、磁気流体力学の基礎から応用研究、また数値計算基盤の研究開発にわたるまで広く理論・シミュレーション研究を進めています。さらには、クォーク・グルーオン・プラズマに対する磁気流体力学の応用・拡張など、プラズマ物理学と高エネルギー原子核衝突物理学の学際領域の開拓も目指しています。