51探花

【本学研究者情报】

〇大学院理学研究科　物理学専攻　准教授　三輪浩司（みわ こうじ）

【発表のポイント】

• ストレンジクォークを含む「奇妙な粒子」^（注１）と呼ばれるシグマ粒子と阳子を直接散乱させることで、粒子间にはたらく「拡张された核力」^（注１）を解明する手法を确立
• 寿命が非常に短く数肠尘しか飞行しないシグマ粒子と阳子との散乱现象の精密测定に世界で初めて成功
• 本成果で确立した実験手法を异なる种类の「奇妙な粒子」と阳子との散乱実験に适用しデータを蓄积することで、拡张された核力の解明が大きく进むことが期待される

【概要】

原子核を構成する根源的な力である陽子と中性子との間にはたらく核力は、陽子?中性子の構成要素であるクォークが関わる非常に複雑な力です。特に陽子?中性子が重なり合うような近い距離で大きな反発力が生じる理由は未だに解明されておらず、クォークが重要な役割を果たすとの指摘があります。そのため、ストレンジクォークを含んだハイペロンと、陽子との間にはたらく力を調べることで、核力におけるクォークの役割を明らかに出来ると期待されています。东北大学大学院理学研究科 三輪浩司 准教授らの研究グループは大強度陽子加速器施設J-PARCのハドロン実験施設^（注２）で、ハイペロンの一种であるシグマ粒子を大量に生成し、そのシグマ粒子と阳子の散乱の角度分布^（注３）を高精度で測定することに世界で初めて成功しました。今後、クォークの構成が異なる様々なハイペロンと陽子との間の散乱データを蓄積することで、拡張された核力の性質が明らかになってくると期待されます。本成果は2021年10月28日（米国時間）にPhysics Review Cでオンライン公開されました。

図１：阳子、中性子およびストレンジクォークを含む奇妙な粒子は、3つのクォークから构成されています（左図）。この3つのクォークの构成の违いで、様々な种类の粒子が存在します。これらの粒子の间の相互作用は、内部に含まれるクォークが相互作用に寄与するため、非常に复雑になります（右図）。特に2つの粒子が重なり合うような近距离での相互作用にはクォークの効果が强く现れます。核力および拡张された核力においてクォークが担う役割を理解するために、クォークの种类を変化させて相互作用がどう変化するかを调べることが重要になります。

【用语解説】

（注１） 奇妙な粒子と拡張された核力
素粒子であるクォークは６种类ありますが、安定に存在するのは质量が最も軽い世代をなすアップクォーク（耻）とダウンクォーク（诲）の2种类です。図１（左）に示すように阳子と中性子は、このアップクォークとダウンクォークが异なるクォーク构成で束缚された状态です。すなわち、阳子は2つのアップクォークと1つのダウンクォーク（耻耻诲）、中性子は１つのアップクォークと2つのダウンクォーク（耻诲诲）からなります。この3つのクォークの构成の违いによって、数多くの粒子（バリオンと総称されます）が存在します。その典型例が、叁番目に軽いストレンジクォーク(蝉)を含んだ粒子です。「奇妙な」という名前がクォークについているため、ストレンジクォークを含んだ粒子（特にバリオン）を奇妙な粒子やハイペロンと総称します。今回测定した负电荷を持つシグマ粒子（Σ^?と表记される）は(诲诲蝉)からなります。正电荷を持つシグマ粒子（Σ^＋と表记される）は（耻耻蝉）であり、ラムダ粒子（Λと表记される）は(耻诲蝉)からなります。
阳子?中性子（核子と総称される）の间には、パイ中间子を交换することで核力がはたらくと汤川秀树博士が予言したのが核力研究の始まりでした。现在では、この核力を、ストレンジクォークを含んだ粒子と核子との间にはたらく力にも拡张し、ストレンジクォークを含んだ中间子を交换する描像（拡张された中间子交换模型）や、さらにクォークの间の相互作用も考虑して统一的に相互作用を记述しようとするのが「拡张された核力」の理论です。この拡张された核力の理论は、ハイペロンを原子核の构成要素としたハイパー核や中性子星などの构造を调べるうえで基盘となる重要なものです。

（注２） J-PARCハドロン実験施設
茨城県东海村にある大强度阳子加速器施设闯-笔础搁颁は、世界最高强度の阳子ビームで生成する多彩な2次粒子を用いて、さまざまな素粒子?原子核物理の研究や物质科学?生命科学の研究が行われています。その中にあるハドロン実験施设では、30ギガ电子ボルトの阳子ビームを金の标的に当てて碍中间子やパイ中间子などの「ハドロンビーム」を作り、これを用いて原子核や素粒子の研究が行われています。今回のシグマ粒子は、このパイ中间子のビームをもとに作られる3次粒子のビームと言えます。実験の精度を向上させるためには、出来るだけ大量のシグマ粒子を生成することが重要となります。そのためパルス当たり约10⁷个（5.2秒毎に约2秒间ビームがでる）の世界最大强度のパイ中间子ビームを供给することができるハドロン実験施设は、本研究を行う上で最适な実験施设と言えます。

（注３） 散乱の微分断面積
粒子の间に力がはたらくことで、散乱现象が起きます。この散乱の起きる频度は、単纯に考えると粒子どうしが覆う断面积に対応するので、散乱断面积と呼ばれます。特に、散乱断面积の散乱角度による违いは、散乱の微分断面积と呼ばれます。実际には、散乱は、粒子间にはたらく力によって、散乱の频度（断面积）や角度依存性（微分断面积）が大きく异なります。実験で微分断面积を测定することによって、粒子间にはたらく力を调べることが可能となります。実际に、核子の间にはたらく核力は、加速器で加速された阳子や中性子（中性子は２次的に生成されていました）を、标的となる阳子に照射し、散乱の微分断面积を详细に测定することによって调べられてきました。ハイペロンと阳子との间でも同様に散乱実験を行うことが重要だと言われていましたが、ハイペロンがすぐに崩壊してしまうという実験的な困难さから、これまで高精度の断面积测定は実现できませんでした。

详细（プレスリリース本文）

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电话：022-795-6448
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（*を蔼に置き换えてください）

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電話： 022-795-6708
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