ハイパー核の世界 - 東北大原子核物理研究室

ストレンジネスで探る原子核
-ハイパー核の世界-
理学研究科物理学専攻
原子核物理グループ
D1 白鳥昂太郎
概要
• イントロダクション
– 原子核物理とは
– ハイパー核の研究
• ハイパー核の実験
– 実験手法
– ハイパー核g線分光実験
– 今後の展開
• まとめ
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原子核物理学とは(1)
４つの基本的な相互作用
• 重力 : 天体
• 電磁相互作用 : 化学反応
• 強い相互作用
– クォーク間の相互作用、
ハドロン間の相互作用、
原子核の性質を決める
• 弱い相互作用
ハドロン : 陽子や中性子、p中間子等の
強い相互作用をする粒子の総称
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原子核物理学とは(2)
原子核の研究対象は幅広い
–
–
–
–
–
核子-核子(陽子、中性子)間相互作用(核力)
原子核の構造
恒星内、超新星爆発での原子核の形成
中性子星(超高密度物質)
ハイパー核
Lハイパー核
L粒子
ハイパー核
通常の原子核にストレンジクォークを
持つバリオン-ハイペロン-を含む原子核
(バリオン : クォーク３つから成るハドロン)
(ハイペロン: L粒子, S粒子, X粒子, W粒子)
アップ(u)、ダウン(d)クォークだけでなくストレ
ンジクォーク(s)も含んだ多様な原子核の研究
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ハイパー核研究の特徴
ハイペロン : パウリ効果を受けず、原子核深部
に到達できる
Lハイパー核
(電子軌道のように原子核にも軌道があり、同じ軌道に入る同種粒子の数は
限られる)
L粒子
⇒近距離での核力や原子核深部での核子(陽子、
中性子)状態の解明に手がかりを与える
核子-核子間相互作用を核子-ハイペロン間の
相互作用、ハイペロン-ハイペロン相互作用に
核力を拡張
⇒多種のバリオン間相互作用の研究
ハイパー核を調べることで原子核の基本である
核力の本質的な理解を得ることが出来る
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核力の研究
from textbook by Tamagaki
核力:中間子交換モデル
斥力芯
中性子
陽子
中間子
交換する中間子の種類で核力の性質
が決まる
×斥力芯 : 核子が重なるような状況
×原子核の深部 : 核子がどう振舞って
いるか
⇒クォーク的な描像が必要
斥力
核子間の距離
引力
現時点でクォークの相互作用から核力
を得ることは出来ない
⇒ストレンジクォークまで含めたハイ
パー核の研究が重要
w
r
核子の大きさ
p
p
p
s
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ハイパー核の研究
 核力→バリオン間相互作用に拡張
L粒子
LN、 SN、 XN、 LL 相互作用
クォーク描像による核力の統一的な理解
 原子核→バリオン多体系に拡張
近距離では
高密度核物質（中性子星内部やクォーク物質）クォーク
核子
の相互作用
 “不純物核物理”
大きさ、形、構造の劇的変化（核圧縮効果など）
縮む!
新しい自由度の有限多体系
 核内バリオンの性質変化
原子核
ハイパー核
バリオンの質量、磁気モーメントの起源
mL
ハイパー核の研究から原子核やハドロン
についての統一的な理解を目指す
L粒子
原子核内部
膨れる!?
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原子核の世界
核図表
知られている原子核数 ~4000
陽子数
原子核
中性子数
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ハイパー核の世界へ
ストレンジネスの数
LLハイパー核
Xハイパー核
3次元核図表
L，S ハイパー核
通常の原子核
中性子数
ストレンジネスを含む広大な原子核の世界を開拓
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ハイパー核の研究
-実験-
ハイパー核の研究手法
ストレンジクォーク : 地球上には存在しない
⇒自分達で作る必要がある
加速器を使用(KEK:高エネルギー加速器研究機構)
＊加速器で作られる二次粒子ビームを標的に当て、ハイパー核を作る
⇒散乱粒子や放出されるg線を測定することでハイパー核の構造等を
調べる
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ハイパー核構造の測定
Lハイパー核の構造
⇒L粒子-核子間相互作用
Hotchi et al., Phys.Rev.C 64 (2001) 044302
L粒子-核子間相互作用を調べるにはさらに
詳細な構造の情報が必要
ハイパー核が遷移するときに放出するg線
を測定
p+
p+ + n→L + K+
中性子の軌道
束縛エネルギー
L粒子の軌道
K+
g線
L粒子の束縛エネルギー 12
ハイパー核g線分光実験
もっと詳細なハイパー核の構造を測ゲルマニウム検出器群
定したい
Hyperball
⇒ハイパー核からのg線を
非常に良いエネルギー分解能を持つ
ゲルマニウム検出器で測定
K+
g線
p+
ゲルマニウム検出器
標的
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実験結果
磁気スペクトロメータ
分解能
2 MeV
(FWHM)
磁気スペクトロメータ
⇒ハイパー核の微細な構造
は分からない
ゲルマニウム検出器
⇒微細なエネルギー準位を初
めて測定
g線スペクトラム
⇒L粒子-核子間相互作用
の研究に大きく貢献
分解能 0.002 MeV (FWHM) 103 倍の改善
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今後の展開
茨城県東海村
J-PARC
(Japan Proton Accelerator Research Complex)
物質・生命科学実験施設
3 GeV シンクロトロン
(333 mA)
400 MeV 線形加速器
(350m)
50 GeV シンクロトロン
(15 mA)
原子核・素粒子実験施設
60m x 56m
ニュートリノファシリティー
ビーム強度
従来の加速器(KEK-PS)の100倍
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ハイパー核g線分光実験@J-PARC
大強度ビームによる多量のハイパー核生成
ゲルマニウム検出器群
Hyperball
Hyperball-J
g線測定用のHyperballを”Hyperball-J”にアップグレード
⇒系統的なハイパー核の研究を推進
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実験準備 -ゲルマニウム検出器機械式冷却によるゲルマニウム
検出器の開発
⇒企業との共同開発
ゲルマニウム検出器
機械式冷凍機
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実験準備 -ビーム測定用検出器実験で使用するビーム測定用の
検出器の準備
⇒海外の研究者との共同作業
170cm
270cm
ビームライン
修理の様子
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まとめ
まとめ
• ハイパー核の研究から原子核やハドロンについての統一的
な理解を目指す
– L粒子-核子間相互作用の研究
– 原子核深部の探索
• 大型の加速器を用いたハイパー核の実験により、ハイパー
核の構造を調べ、 L粒子-核子間相互作用の研究を行う
– ハイパー核g線分光実験はL粒子-核子間相互作用の研究に大きく
貢献した
• J-PARCでのハイパー核g線分光実験に向け、検出器の準
備を進めている
– 企業や海外の共同研究者との協力のもと実験準備を行っている
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ありがとうございました

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