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原子核物理学

物質は分子で構成され、分子は原子で構成されていることはよく知られている。その原子の中心には原子核が存在し、そのまわりを電子が飛び交っている。原子の大きさが1latex math image(1latex math image=latex math imagem)程度であるのに対し、原子核の大きさは数fm(1fm=latex math imagem)程度で原子の約1万分の1である。地球上に安定して存在する通常の原子核は、陽子と中性子で構成されており、現在2200種類の核種が発見されている。このうち自ら崩壊しない安定核は約270種である。これらの原子核の成り立ちや性質を対象に実験的・理論的に研究していくのが、原子核物理学である。

有限多体系としての原子核

1932年にJ.Chadwickが中性子を発見したことを契機に、原子核は陽子と中性子から構成されていることが明らかになった。陽子と中性子を総称して核子と呼んでいる。陽子と中性子は、荷電空間におけるスピン(アイソスピン)の量子数latex math image=1/2を持ち、そのz成分で核子における異なった状態として区別されている。陽子はlatex math image=+1/2、中性子はlatex math image=-1/2である。らに核子はu,dクォークから構成されていると考えられている。

原子核を構成する粒子の多体系として考えると、次のような3つの捉え方ができる。まず、(1)複数のバリオンで原子核が構成されているバリオン多体系、(2)バリオンに加えてlatex math image中間子などのメソンで原子核が構成されているハドロン多体系、そして(3)バリオンやメソンなどのハドロンを構成するクォークで原子核が構成されているクォーク多体系である。素粒子であるクォークが原子核の構成要素として考えるクォーク多体系の立場が、最も原子核を微視的に捉え、最も進んだ原子核の構造研究であり、さまざまな研究が行われている状況である。原田研究室では、原子核をバリオン多体系として捉えた立場から原子核の構造を研究している。このアプローチは微視的に原子核の構造を研究する出発点であると考えている。

原子核における殻構造

原子内の電子が殻構造を持つことは良く知られている。原子核内の陽子、中性子も同様に殻構造をを示す。陽子、中性子はともにフェルミオンであるからパウリの排他律に従い、複数の粒子が同軌道に同じ状態で占めることはできない。陽子と中性子はそれぞれアイソスピンの異なった状態であるから、それぞれ1つの状態に1つずつ入ることが可能である。全角運動量latex math image=1/2の量子数を持つlatex math image軌道(主量子数latex math image=0、軌道角運動量latex math image=0、全角運動量latex math image=1/2)には、z成分が上向き(latex math image=+1/2)と下向き(latex math image=-1/2)の2粒子が入る。全角運動量latex math image=3/2の量子数を持つlatex math image軌道(latex math image=0、latex math image=1、latex math image=3/2)には、z成分がlatex math image=+3/2、latex math image=-3/2、latex math image=+1/2、latex math image=-1/2の4粒子が入る。この軌道の1つ1つを殻(シェル)といい、このような構造を殻構造という。

奇妙さ(ストレンジネス)を持った原子核=ハイパー核

原子核を構成するバリオンの仲間

核子はバリオンというフェルミ粒子の仲間である。バリオンには核子の他に、ハイペロンと呼ばれる粒子が存在している。ハイペロンはs(strange)クォークを含んでおり、奇妙さ(ストレンジネス)という量を量子数latex math imageで区別されている。核子には奇妙さがないので、ストレンジネスlatex math image=0に位置し、latex math image=-1にはラムダ(latex math image)粒子とシグマ(latex math image)粒子が、latex math image=-2にはグザイ(latex math image粒子)が存在している。原子核を構成する粒子として、核子に加えてハイペロンを1つ以上含む原子核をハイパー核(超原子核)という。

ハイパー核の構造研究

ハイペロンを含む原子核をハイパー核という。縦軸に陽子数、横軸に中性子数、さらにストレンジネスを第3軸にとり、現在までに存在が確認された原子核をプロットすると、ストレンジネスを持たない通常の原子核(latex math image=0)はたくさんの核の存在が確認されているのに対し、ストレンジネスを1つ含むハイパー核(latex math image=-1)はまだあまり確認されていない。さらにストレンジネスを2つ含むハイパー核(latex math image=-2)においては数個しか発見されていない。ハイペロンを含むハイパー核も同様に殻構造を持つと考えられている。例えばlatex math image中間子がlatex math imageに入射されると、(latex math image,latex math image)反応によって、latex math image核内の中性子1個がlatex math image粒子に変わり、latex math imageハイパー核latex math imageが生成される。核子の1体ポテンシャルの深さが約55MeVであるのに対し、latex math image粒子の1体ポテンシャルの深さは約30MeVと浅く、latex math image粒子はこのポテンシャルのもとで独立粒子運動すると考えられている。

バリオン多体系としてハイパー核を対象に研究することには、次のような利点が考えられる。(1)原子核内に不純物としてlatex math image粒子を注入することで、原子核の構造がどのように変化するか見られること、(2)latex math image粒子は核子によるパウリ排他律を受けないため、これまで調べることが困難であった原子核の深部を探る可能性があること、(3)原子核内のバリオン間相互作用(latex math imageハイパー核を扱った場合ではlatex math image相互作用など)の特徴を取り出すことができること、が挙げられる。

ハイパー核の生成反応研究

現在では高エネルギー加速器を用いてハイパー核を実験室で生成することが可能である。その生成方法のひとつである(latex math image,latex math image)反応では、latex math image中間子は中性子latex math imageと反応して

latex math image

という素過程でlatex math image粒子を生成する。原子核内の中性子にlatex math image中間子が衝突すると、核内で生成されたlatex math image粒子はある確率で原子核内に束縛される。同時に生成されたlatex math image中間子が外に飛び出すため、このlatex math image中間子の運動量を測定して、実験的にハイパー核の状態や$latex math image粒子の束縛エネルギーを調べることができる。

次の図ではつくば市にある高エネルギー加速器研究機構(KEK)で行われたlatex math image(latex math image,latex math image)反応実験で測定されたlatex math imageの励起エネルギースペクトルを示す。スペクトルにはlatex math imagelatex math image粒子がlatex math image軌道とlatex math image軌道にそれぞれ入った状態に対応する2つの大きなピークが見られる。

さらに近年では2つのlatex math image粒子を含むハイパー核であるダブルラムダハイパー核の観測も行われている。最近、静止latex math image粒子によるハイブリッド・エマルジョン法によって、約40年ぶりにダブルlatex math imageハイパー核latex math imageを観測し、KEK-E373実験では不定性なく基底状態の束縛エネルギーの決定に成功した。このようにハイパー核の実験的な知識は着実に蓄積されており、J-PARCにおいても重要な研究分野として多くの研究が進められようとしている。

ハイパー核と中性子星

宇宙には中性子星をはじめとするコンパクト星が存在している。中性子星の中心には高密度なハドロン物質の状態が存在していると考えられている。その部分にはハイペロン(latex math imagelatex math imagelatex math image)を多重に含む物質層も存在する可能性がある。したがって中性子星の構造を解明するためには、核子やハイペロンなどのバリオン間相互作用や高密度物質内でのハイペロンの振る舞いなどの知識が不可欠である。多重ストレンジまで含むハイパー核の研究は、中性子星をはじめコンパクト星の研究に重要な出発点のひとつである。