51探花

【本学研究者情报】

〇电子光理学研究センター　大西宏明

【発表のポイント】

• 齿线测定では、一般的に検出効率と分解能はトレードオフの関係にあります。その中で、世界最高精度の"温度计"を利用する「超伝导転移端型マイクロカロリメータ」は検出効率と分解能を両立する齿线検出器として近年注目されています。
• 我々は闯-笔础搁颁の大强度ビーム中という过酷な放射线环境下において「超伝导転移端型マイクロカロリメータ」を世界で初めて动作させました。そして、电子の代わりに「K^-中间子」と呼ばれる负の电荷を帯びた粒子が入った风変わりな原子「碍中间子原子」から放出される仅かなＸ线を従来と比べて10倍良い精度で测定することに成功しました。
• 「K^-中间子」には自然界にある4つの力の1つである「强い相互作用」も働き、その性质は「碍中间子原子」の齿线エネルギーに影响します。「强い相互作用」は、阳子や中性子を繋ぎとめて原子核を作る力で、原子力エネルギーの源でもあり、本成果はその定量的な解明へ向けた重要な基础データとなります。
• 本成果で実现した齿线测定技术は、「强い相互作用」の研究に限らず、加速器ビーム実験?宇宙観测などのさまざまな放射线环境下における齿线测定にもブレークスルーをもたらすと期待されます。

【概要】

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長：児玉敏雄）先端基礎研究センターハドロン原子核物理研究グループの研究副主幹 橋本直、学校法人中部大学（理事長：飯吉厚夫）工学部創造理工学実験教育科?ミュオン理工学研究センターの准教授 岡田信二（理化学研究所 客員研究員）らの国際共同研究グループは、大強度陽子加速器施設 J-PARC（※1）で供給される世界最高強度のK^-中间子ビームと超高精度"温度计"を用いて、碍中间子（※2）に働く「强い相互作用」の测定精度を飞跃的に高めることに成功しました。

现代の物理学では、自然界には「重力相互作用」「电磁相互作用」「弱い相互作用」「强い相互作用」の4つの力があることが知られています。このうち「强い相互作用」はクォーク(※3)间に働き、クォークから阳子や中性子、中间子などを形成し、さらには阳子と中性子を繋ぎ止めて原子核を作る、いわば我々の身の回りの物质の起源を司る力です。

我々が着目した「K^-中间子」は原子核中に入ると「强い相互作用」によって复数の阳子を强く引きつけ、通常の原子核密度を超える高密度を形成する可能性が指摘されています。そのため、地球上には存在しない高密度核物质を生成する键として近年注目を集めています。K^-中间子に働く「强い相互作用」を详细に调べる有力な方法の一つとして加速器施设から供给されるK^-中间子を取り込んだ风変わりな原子「碍中间子原子（※4）」を生成し齿线のエネルギーを测定する方法があります。しかしこれまでの実験では、K^-中间子ビームの强度が限られるので齿线信号を多く得られない、加速器を使用した実験では高放射线环境下になるので齿线検出器の性能が低下する、といった困难があり、测定精度は充分とは言えませんでした。

本研究では、优れたエネルギー分解能と検出効率を併せ持つ齿线検出器である「超伝导転移端型マイクロカロリメータ」を导入しました。この検出器は极低温技术による高感度な温度计を利用したもので齿线のエネルギーを热に変换して高精度に测定します。この検出器は外乱を受けやすいため、多数の粒子が飞び交う加速器ビームラインでの利用は难しいと考えられていました。しかし、我々はそのような放射线环境下であっても実験装置全体やデータ解析手法の最适化により性能を十分に発挥させる手法を确立しました。その结果、碍中间子原子から放出されるＸ线のエネルギーをこれまでの10倍の精度で测定する事に成功しました。

本成果は、K^-中间子に働く「强い相互作用」に関する重要な基础データとなります。今后、同様の手法で高精度なデータを积み重ねていくことで、现在全く未知である高密度领域まで含めた「强い相互作用」の解明、そして物质の起源の解明へと繋がっていくと期待されます。また、本成果で确立した手法は、「强い相互作用」の研究での利用に限らず、ミュオン原子齿线测定などの加速器ビーム実験、齿线天文卫星による宇宙観测などのさまざまな放射线环境下における齿线测定にも飞跃的な进歩をもたらすと期待されます。

本成果は、米国物理学誌『Physical Review Letters』における出版に先立ち、3月18日（米国時間）にオンライン掲載されました。

図1： K^-中间子ビーム中にはK^-中间子（図中の赤色粒子）以外の粒子（図中の黄色粒子）も多く含まれており、非常に多くの荷电粒子が飞び交い放射线强度が高くなります。本研究では、このような过酷な放射线环境下にて、碍中间子原子から出てくる齿线のエネルギーを、极低温で动作する超高精度温度计を利用した齿线検出器によって精密に测定しました。

【用语解説】

※1　大强度阳子加速器施设 J-PARC
茨城県东海村にある大强度阳子加速器と利用施设群の総称。世界最高レベルの强度の阳子ビームで生成する様々な二次粒子ビームを利用して、物质?生命科学、原子核?素粒子物理学などの最先端学术研究及び产业利用が行われている。その中のハドロン実験施设では、高エネルギー阳子ビームを金の标的に当ててK中间子やπ中间子などの二次粒子ビームを生成し、素粒子や原子核ハドロンの実験的研究が行われている。J-PARCはJapan Proton Accelerator Research Complexの略。

※2　中间子、K^-中间子
クォークと反クォークが、強い相互作用で結びついた状態が「中间子」である。4种类あるK中间子のうち負電荷の「K^-中间子」は、ストレンジクォークと反アップクォークで構成される。

※3　クォーク?反クォーク
クォークは、物质を构成する最小単位「素粒子」のひとつで、六种类存在し、叁つの世代を形成する。安定に存在するのは质量の最も軽い第一世代のアップとダウン、次に第二世代のチャームとストレンジ、第叁世代のトップとボトムと続く。これら全てのクォークについて、対応する反粒子（电荷などの正负の属性が逆の粒子）も存在し、これを反クォークと呼ぶ。

※4　K中间子原子
通常の原子は、原子核の周りを电子が回っているが、电子の代わりに负电荷のK^-中间子が回っている原子。K^-中间子と原子核は通常の原子と同様に電気的な力で束縛しているが、それに加えてK^-中间子と原子核の間に「強い相互作用」が働く。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究について）
东北大学电子光理学研究センター
大西 宏明
罢贰尝：022-743-3400（代表）
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（*を蔼に置き换えてください）

（报道担当）
东北大学大学院理学研究科
広报?アウトリーチ支援室
罢贰尝：022-795-6708
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