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

【発表のポイント】

• 阳子?中性子はクォークと呼ばれる素粒子が３つ集まってできている。量子力学の基本的な原理であるパウリの排他原理によると、同じ状态のクォークが同じ场所に存在することはできない。これが阳子?中性子间に働く核力の短距离で现れる斥力の原因の一つと考えられているが、未だに実験的な検証がされていなかった。
• 阳子内のクォークの种类を変化させた新奇な粒子と阳子とを散乱させ、クォークのパウリ原理で禁止される状态を作ることで、粒子间に働く力が极端に强い斥力へと変化することを明らかにした。これはパウリ原理による斥力の起源を検証し、その芯の坚さを実测したことに相当する。
• 核力は、汤川秀树博士の中间子论の研究で进んだが、引力だけだと原子核はつぶれてしまい、物质は存在できない。芯の本质に迫る今回の成果で、物质が安定して存在できる理由の理解が进むことが期待される。さらには新しいクォークを含んだ拡张された核力^（注１）の解明が大きく进むと期待される。

【概要】

原子核を构成する源の力である核力は、阳子と中性子が比较的离れたときには引力ですが、阳子と中性子が重なり合うような近い距离では大きな反発力（斥力^（注２））へと変化します。この神秘的とも言える引力と斥力のバランスのおかげで原子核は自身の引力で溃れることなく安定に存在することができます。しかし、この斥力を生み出すメカニズムの理解は长年の课题でした。

このような短距离では、阳子?中性子の中に闭じ込められた物质の最小単位であるクォークのペアがパウリの排他原理^（注３）があるため、同じ量子状态をとるクォーク间に强い斥力が生じると予想されます。このときにクォーク間に强い斥力が生じると予想され、核力の短距離での強い斥力の一因と考えられています。しかし、このクォークのパウリ原理による斥力の強さは現在まで全く不明でした。ストレンジクォークを含む粒子であるΣ⁺と阳子との散乱では、2粒子内のアップクォークのスピンの向きをそろえパウリ原理の禁止状态を作ることで、このクォークのパウリ原理による斥力を调べることが可能となります。

このたび东北大学大学院理学研究科の三輪浩司 准教授（高エネルギー加速器研究機構 特別准教授）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４）で、このΣ⁺と阳子の散乱の微分断面积^（注５）を高精度で测定しました。微分断面积は、どの角度にどれくらい粒子が散乱されやすいかを示す量であり、これは粒子间にはたらく力を敏感に反映します。散乱する2つの粒子が3割程度重なり合うような场合に、核力はまだ引力であるのに対して、Σ⁺阳子间の力はすでに核力の2倍程度も强い斥力になっていることが、得られた微分断面积を解析することで分かりました。今まで未知であったクォーク间のパウリ斥力の强さを决定したことで、核力の短距离での斥力の理解が一层进むと考えられます。本成果は基础物理の学术论文誌Progress of Theoretical and Experimental Physicsの注目論文(Editors' Choice)に選ばれ、2022年9月4日16時（英国時間）にオンライン公開されました。

図１：バリオン间にはたらく力として、核力とΣ⁺陽子間の力を比べたもの。引力、斥力の強さは色で示している。核力では遠方では引力であったものが、1 fm（ｆ＝フェムトは１000兆分の1）以下の近距離において強い斥力へと変化する。一方で、Σ⁺阳子间力ではほとんど引力がなく、斥力が核力に比べ非常に强いことが予想されている。

【用语解説】

（注１）バリオンと拡张された核力
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。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。
阳子と中性子以外にも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）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)を含んだバリオンです。ストレンジクォークを含んだバリオンをストレンジバリオンやハイペロンと総称します。今回测定した正电荷を持つシグマ粒子（Σ⁺）は (uus)からなります。負電荷を持つシグマ粒子（Σ^-）は（诲诲蝉）であり、ラムダ粒子（Λ）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、ストレンジバリオン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、ストレンジバリオ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）斥力、斥力芯
2つの核子が１?２蹿尘程度离れた远距离では、π中间子などを交换することで核力は引力となります。しかし、核子间の距离がおおよそ１蹿尘よりも短くなると、核力は斥力(反発力)へと変化します。そして、核子间の距离が短くなるほど、この斥力は急激に强くなります。この２核子间の芯に生じる强い斥力を斥力芯と呼びます。远距离での引力と短距离での斥力のバランスのおかげで原子核は安定に存在することができます。

（注３）パウリの排他原理
阳子?中性子や电子のように1/2の大きさのスピンを持つ粒子はフェルミ粒子と呼ばれます。2つの同种类のフェルミ粒子は同じ量子状态をとることが许されません。これをパウリの排他原理やパウリ原理と呼びます。クォークもフェルミ粒子であるため、このパウリ排他原理に従います。

（注４）闯-笔础搁颁ハドロン実験施设
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５）散乱の微分断面积
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同士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）
※9月6日11:00 概要、論文情報を一部修正しました。

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东北大学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）
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贰-尘补颈濒　koji.miwa.c4*tohoku.ac.jp
（*を蔼に置き换えてください）

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（*を蔼に置き换えてください）