季刊誌 04 NO. JAPAN PROTON ACCELERATOR RESEARCH COMPLEX 2016 特集 ハドロン実験施設 研究者インタビュー 素粒子・ 原子核の 標準理論 その先を知りたい 小松原健 山本剛史 高橋俊行 目 で 覚 える 素粒子・ハドロン・原子核 ハドロン 素粒子（クォーク） グザイ粒子 原子核 K 中間子 ボトムクオークとトップクオーク シグマ粒子 ラムダ粒子 パイ中間子 ストレンジクォークとチャームクォーク 中性子と陽子 ダウンクオークとアップクオーク 目で 覚 える 素粒子・ハドロン・原子核 クォークは現在 6 種類が見つかっており、それらが複数組み 器を用いて人工的に大量に作り出す必要があります。 合わさったのが「ハドロン」です。 「ハドロン」には様々な種類 加速した陽子のビームを金標的に当てると、様々な粒子が がありますが、私たちの身近な世 界（地上）の物質は「陽子 発生します。この中から実験に必要な粒子を選び出して使 と中性子」からできています。 （ハドロンの表、下段左の 2 つ） 用します。粒 子によっては生 成 確 率が非 常に小さなものも 陽子や中性子以外のハドロンは、宇宙線で生成されても短 あるの で、大 量 の 粒 子を生 成 できる J-PARC の 大 強 度 陽 子 い時間しか存在しないので、実験に使用するのには向いて ビームが必要なのです。ハドロン実験施設では特に、ストレ いません。これらのハドロンを実験に用いるためには、加速 ンジクォークを含むハドロンの研究を行っています。 素粒子・ 原子核の 標準理論 その先を知りたい 現在 J-PARC のハドロン実験施設には 3 本のビームラインが設置されており、様々な実験研究が行われ π中間子が作られ、これら中間子を利用して素粒子や ています。大強度の陽子ビームからは K 中間子、 原子核の世界を研究し、私たちの知の領域を拡げようとしています。 Interview 小松原 健 J-PARC 素粒子原子核ディビジョン 副ディビジョン長 中性 K 中間子稀崩壊実験 (KOTO=K0 at TOkai) 粒子の数を増やして世界で勝負 す。J-PARC の敷地内には直径 500m もの大きな 1000 回やれば 10 回、10000 回やれば 100 回見る 見の粒子が関係しているのかもしれません。起 います。 ̶̶ もし新粒子が見つかったら、またノーベ ル賞も有り得る ? 円形加速器があって、その中で陽子をグルグル ことができます。 こる割合にズレがあるかどうかはまだ分かり 数百億回もやるとなると、データの取り方に ̶̶ ハドロン実験施設というのは何をす 回して加速。30GeV(※) まで加速したところで 私が行っている「中性K中間子の稀崩壊実験」 ませんが、私たちはあるだろうと思っています。 は工夫が必要です。全ての反応データを収集 るところですか？ 加速器リングから取り出して、標的にぶつけま は、まさにそういうものです。中性 K 中間子 (※) 実はこれと同じようなことが、以前にもあり す。このときに生まれるのが、K 中間子などの が崩壊するとき、大体は 3 つの中性パイ中間子 ました。1964 年、K 中間子の崩壊において、 「CP 「本物」らしい現象だけを上手に選択しなけれ ノーベル賞クラスだとは思いますが、時間はか 目的は、素粒子と原子核について調べること 粒子。これを複数のエリアに導いて、様々な実 に変わったりするパターンなのですが、極めて 対称性の破れ」と呼ばれる、粒子と反粒子 (※) ばなりません。条件を厳しくし過ぎると本物 かるでしょう。小林・益川理論にしても、理論 です。 験を同時に行っています。 まれに、中性パイ中間子とニュートリノ 2 つに の振る舞いの違いが見つかったときです。こ を取りこぼす可能性があるし、逆に甘すぎると を実験で確かめて、受賞までに30年以上かかっ 物質は全て原子からできています。でも原 ※GeV= ギガ電子ボルト。エネルギーの単位で、 変わるパターンがあると考えられています。 の事象は、それまでの理論では全く説明できま 処理がオーバーフローする。これをうまくや ています。私たちの場合も、実験で新粒子を見 子がこの世界の最小構成単位ではなくて、原子 これが大きいほど高速。 ※電荷がゼロの K 中間子 (K0)。K 中間子には、電 せんでした。 るのが腕の見せ所です。 つけたと言っても、それを確認するのにさらに 荷がプラスの K+ とマイナスの K- など合計 4 種 ※素粒子に働く 4 種の力のうちのひとつ「弱い 類がある。 力」がわずかに CP 対称性を破ることが発見さ はさらに、中心の原子核と周りの電子に分かれ ます。原子核の中には陽子と中性子があって、 ̶̶ 加速器と言えば欧州の LHC が有名ですね。 それぞれ、クォークと呼ばれる素粒子 3 つで構 この割合は、数 100 億回∼数 1000 億回に 1 回。 れた。 成されています。そのほかクォーク 2 つででき エネルギー的には LHC の方が 3 桁も上ですが、 気が遠くなるほどの低さです。私の実験では、 当時、クォークはまだ 3 種類しか見つかって ている中間子というものもあります。 J-PARC の加速器には、粒子の数がすごく多い この現象を見つけようとしているんです。 これまでの研究によって、素粒子や原子核の という特徴があります。エネルギーを高くす 振る舞いについては、大体のことは分かってき るためには加速器を大きくする必要があって、 ていますが、それでもまだ良く分かっていない LHC は山手線のような巨大サイズになってい ことがたくさんあります。それを実験によっ ます。日本でそんなものは作りにくいですが、 て確かめようとしているのがこの施設です。 リングが小さくても、工夫すれば粒子の数は増 現在、素粒子や原子核の世界をうまく説明で やせるんです。 きる理論として「標準理論」というものが確立 ̶̶ どうやって実験をするんですか ? 宝くじに当たるよりも難しい？ ̶̶ 最後に、若い人へのメッセージをお願い ̶̶ そんなに滅多に起こらないことが、なぜ 提唱された小林・益川理論です。そしてその後、 意味のあるものにするのであれば、少なくとも 研究者のイメージとはかけ離れているかもし 重要なのですか ? 本当にこれらのクォークが発見され、標準理論 10 回、将来的には 100 回くらいのデータが欲し れませんが、実験は結構ハードです。加速器の に繋がっていきました。 いところ。実験としては、長丁場になります。 実験が始まると、24 時間連続運転になるため、 ノーベル賞を目指して ̶̶ さらに粒子の数を増やすようなアップグ には厳しいし、苦労も大きいけど、自分の作っ レード計画は ? た装置がうまく働くと、本当に嬉しい。この仕 ̶̶ しかしそこまで起こる割合が低いと、見 ( 約 333 億分の 1) のはずです。でも、実際に実験 つけるのは大変そうですね。 で割合を調べてみて、それより大きかったり小 さかったりしていたら、どうでしょうか。 私たちの実験に必要な粒子は、寿命が極めて短 ̶̶ 標準理論が間違っている ? します。 8 時間交替のシフトを組んで臨みます。体力的 る現象が起きる割合は 3×10 のマイナス 11 乗 でしょうか。 起こすことができます。すると、起こる割合が 「たまたま」と言われませんか ? 1 つだけでは十分ではありません。統計学的に ̶̶ 粒子が多いと、どんなメリットがあるの 粒子が多ければ、それだけたくさんの反応を でその結果です。 まず確実に 1 つ見つけたいとは思いますが、 験であれば、ビンの中の試薬が使えます。でも、 いるわけではありません。なので、実験の材料 何年もかかるでしょう。ノーベル賞は、あくま ̶̶ 苦労してやっと見つけても、1 回だけだと いなかったのですが、もし 6 種類あればこの事 生活の中には無いということです。化学の実 いということもあって、普段その辺に存在して 標準理論と違うものを発見できたらそれは 象をうまく説明できるとしたのが、1973 年に しています。この理論によると、私が探してい まず難しいのは、実験で使う " 材料 " が日常 すると処理が追いつかなくなってしまうので、 事は、好きであればすごく楽しめる分野だと思 加速器の強化や測定器の大型化も考えてい います。 ますが、まずは現在の加速器と測定器で 10 の 体力的にきついこともあって、この分野は女性 はい。少なくとも、数百億回以上の崩壊を マイナス 11 乗くらいまで調べて、見つかるか が少ないのですが、いつまでもそんな研究分野 させる必要があります。まだ本格的にデータ どうか調べたいです。まだ 1 回も見つかってい でいいのかと話はしていて、みんなで改善しよ を取り始めてから 1 年くらいしか経っていま ないのに、いきなり「100 回見つけます」と言っ うとしています。このことに限りませんが、前の せんが、これには 3∼5 年くらいかかりそうで ても、信用してもらえません。どうしても大き 世代の方々が我々にしてくれたように、次の世 を創るところから始めることになります。 低い現象でも見つけやすくなります。たとえば、 正しくは、標準理論にプラスアルファの何か す。ちなみに今までの実験結果から、割合が なお金がかかるので、段階を踏んで進める必要 代のために研究の環境を整えるのが私の役目だ そのために必要なのが加速器という装置で 100 回 に 1 回 し か 起 き な い よ う な 現 象 で も、 がある、ということです。もしかしたら、未発 10 のマイナス 8 乗より小さいことは分かって があります。 と思っています。ぜひ一緒に仕事をしましょう。 未知の領域を知りたい Interview 2. 山本 剛史 ハイパー核の研究は、宇宙の“ある天体” にも 密 接 に 関 わって い ると いう。ハ イ パー核の研究はこの先どう進んでいくの ハドロン実験施設では、様々な実験が行 か。将来の展望について、 J-PARC 素粒 われている。そのうちの 1 つ、 「 ハイパー 子 原 子 核 ディビジョン ハドロンセクショ 核ガンマ線分光実験」（ E 13 実験）では、 昨年、世界初の大きな発見があったとい う。どんな実験だったのか、研究メンバー で あ り 東 北 大 学 博 士 研 究 員（イ ン タ ビュー時／現在は J-PARCセンター素粒子 原子核ディビジョン ハドロンセクション） の山本剛史氏に話を聞いた。 ̶̶まず実験のタイトルにある「ハイパー核」 ンの高橋俊行氏に話を聞いた。 予想外のことが 起きて欲しい Interview 3. 高橋 俊行 解することです。そのためのツールがハイパー 違いがある理由については現在議論中で、まだ ̶̶ハイパー核について、これからどんな実験 またダブルハイパー核を作る方法は、ラムダ粒 ただその理論では、太陽の 2 倍も質量があった を行う予定ですか ? 子を 2 個入れるだけではありません。s クォー 場合、潰れてブラックホールになってしまうは クを 2 個含むグザイマイナス粒子を 1 個入れる ずなのですが、最近、宇宙で 2 倍質量の中性子 核。u クォークと d クォークのほかに、s クォー 結論は出ていません。今回はヘリウムを使い クも入れることで、別の角度から核力を調べら ましたが、今後、もっと大きな原子核で同様の 私たちの身近に存在する原子の原子核は、すべ れるようになるんです。ただ s クォークの寿命 実験を行おうと考えています。大きな原子核 J-PARC ではこれまで、ストレンジ (s) クォーク 方法もあります。このハイパー核はなかなか 星が見つかりました。これは理論とは合わな て陽子と中性子からできています。たとえば は、10 の マ イ ナ ス 10 乗 秒 程 度 と 極 め て 短 い。 になると、陽子 / 中性子とラムダ粒子の間の距 が 1 個だけ入ったハイパー核が対象になって 観測できなかったのですが、以前筑波の実験で いので、もしかしたら超高密度のところではラ ヘリウムの原子核は、陽子と中性子が 2 個ずつ すぐに崩壊してしまうため、実験が難しくなっ 離が離れるので、距離によって核力がどう変わ いましたが、加速器や検出器の整備が進んでき 使った写真乾板を新手法で再解析したところ、 ムダ粒子やグザイマイナス粒子の間に強い斥 といった感じですね。ハイパー核と対比する ています。 るか調べられます。それにより、この謎を突き て、ようやく、これが 2 個になったダブルハイ 窒素の原子核にグザイマイナス粒子が束縛さ 力が働くのかもしれません。これを議論する 詰めて行きたいですね。 パー核について実験できるようになってきま れた状態が見つかりました。 ためにはもっと実験が必要です。 ̶̶グザイマイナス粒子とはどんな粒子です ̶̶宇宙まで関わってくるとは面白い研究で か? すね。 世界的にもほとんどなくて、ヘリウム原子核に 陽子や中性子よりも重く、マイナスの電荷を はい。1 つの実験で全ての謎が解ける学問では とは何か教えてください。 意味で、これは通常核と呼ばれます。でもハイ パー核には、陽子と中性子以外に別の粒子が混 ̶̶どんな実験を行ったんですか ? 混じる粒子としては、たとえばラムダ粒子があ した。今まさに始まったばかりで、5 月末から ̶̶山本さんはまだ若いですが、いつからこの じっているんですよ。 私たちの実験では、液化したヘリウムに K 中間 検出器を立ち上げているところです。 実験に関わっているのですか ? ります。この粒子は、陽子や中性子と同じく 子をぶつけて、原子核の中性子を 1 つラムダ粒 ク ォ ー ク 3 個 で 構 成 さ れ ま す が、ア ッ プ (u) 子に入れ替えたヘリウム 4 ラムダというハイ クォークとダウン (d) クォークだけの組み合わ パー核を作りました。ここから放出されるガ は昨年ですが、プロジェクトとしては 10 年く ラムダ粒子が 2 個入ったヘリウム 6 ダブルラム 持った粒子です。ちょっとややこしいですが、 ないので、今後も、対象を変え、切り口を変えて、 せである陽子や中性子と違い、ストレンジ (s) ンマ線のエネルギーを調べることで、中性子・ らい前から始まっていて、私が研究者としての ダが唯一確実と言われています。歴史的に、ハ これが窒素の原子核に入っているため、原子核 様々な実験を行っていきます。現実的に今で クォークを含んでいます。s クォークが入った 陽子とラムダ粒子との間の相互作用を精密に スタートを切ったのはちょうどその頃でした。 イパー核は日本の得意分野になっていて、独壇 の電荷は 1 つ減って、化学的には炭素と同じに きるのは s クォークが 2 個までですが、将来的 原子核がハイパー核ということになります。 測定することができました。 それからずっと準備してきたので、実験が非常 場とも言えるんですが、このダブルハイパー核 なっているはずです。ただし寿命が極めて短 には 3 個 4 個とさらに増やしていきたいですね。 に待ち遠しく、昨年はついに念願が叶って本当 も、J-PARC の前身である筑波の加速器で確認 いので、原子の化学的性質を調べる間もなく崩 それによって、核力の起源や性質の理解に繋が に嬉しかったです。 できた成果なんです。 壊してしまうのですが。 るでしょう。 のハイパー核である水素 4 ラムダについては、 ̶̶研究者になったきっかけは何かあります ̶̶ラムダ粒子が 2 個になると、何が分かるの ̶̶s クォークが安定して存在することはない 原子核の分野では、まだまだ予想通りにならな 陽子と中性子がバラバラにならず、原子核とし 以前行われた実験の結果があるのですが、それ か? でしょうか。 のでしょうか。 いことの方が多いですが、だからこそ面白い。 てまとまっていられるのは、粒子が核力 ( 強い との間に明確な違いが見られたのです。従来、 力 ) によって束縛されているからです。この核 陽子と中性子は核力としては同じと考えられ 大学の講義で、原子核にはいまだに分からない ラムダ粒子が 1 個だけだと、ラムダ粒子同士に 太陽よりもっと大きな恒星が超新星爆発を起 聞いたときには、本当にワクワクしました。や 力は、ありふれた存在の陽子と中性子の間の相 ていて、私たちも変わらないだろうと思ってい ことが多いと知ったのが大きかったですね。 働く核力は分かりませんね。2 個になって初め こしたときにできる中性子星は、宇宙で最も高 ればやるほど謎が増えていく感じではありま 互作用についてはかなり正確に分かっている た た め、こ ん な に 大 き な 差 が あ っ た こ と に そんなに分からないものなら、その道に進んで て調べることができます。実験で確認するまで、 密度な物質です。従来、中性子星は中性子だけ すが、これからもたくさん予想外のことが起き のですが、クォークの種類を変えた粒子だとど ショックを受けました。 未知の領域を楽しみたいなと。私たちの研究は、 引力なのか斥力なのかすらも分かっていませ の集まりだと考えられていましたが、最新の理 て欲しいですね。 自分達で検出器を作って、自分達で実験するス んでしたが、これにより引力であることが確認 論 で は、中 心 部 の 超 高 密 度 な と こ ろ に は、s ̶̶従来の常識を覆す発見ですね。でもどう タイルです。それが肌に合っていたというの できました。 クォークが現れてくると言われています。こ してなんでしょう。 もありますね。 ̶̶ハイパー核を使って、何が分かるのでしょ この結果、面白いことが分かりました。ヘリウ うか。 ム 4 ラムダの陽子と中性子を入れ替えただけ うなるのか、あまり分かっていませんでした。 私たちの研究の目的は、この核力をより深く理 実はダブルハイパー核を実験で確認した例は 大学 4 年生からです。実験そのものを行ったの 山本さんが紹介した E13 実験の結果を初めて こには、安定して存在しているはずです。 2016 No.04 表紙／強い力で結びついた K 中間子のイメージ CG 裏表紙／ハドロン実験施設の実験で用いられている測定装置 季刊誌 J-PARC No.4 2016 年 10 月発行（年 4 回発行） 発行／ J-PARC センター 〒319-1195 茨城県那珂郡東海村大字白方 2-4 http://j-parc.jp 編集／ J-PARC センター広報セクション 企画・編集／森田 大介（Mac.H Graphicarts） ・大塚実 CG 制作／宮崎 剛（デジタルスタジオジャパン） デザイン／吉田達也・甘利瑞絵（Mac.H Graphicarts）
© Copyright 2024 ExpyDoc
