J-PARCハドロン実験施設で “奇妙な粒子”が原子核の荷電対称性を破る現象を発見

ポイント

原子核のもつ基本的な対称性である「荷電対称性」 が、原子核に「奇妙な粒子」と呼ばれるラムダ粒子を加えることで大きく崩れることを世界で初めて発見

概要
東北大学・高エネルギー加速器研究機構(KEK)・日本原子力研究開発機構(JAEA)を中心とする国際グループは、大強度陽子加速器施設J-PARCのハドロン実験施設で行った実験で、原子核のもつ基本的な対称性である「荷電対称性」^注1が、原子核に「奇妙な粒子」と呼ばれるラムダ粒子^注２を加えることで大きく崩れることを発見しました。
原子核の陽子の数と中性子の数が入れ替わった原子核（鏡像核と呼ばれる）は、質量や構造がもとの原子核と同じになる「荷電対称性」という性質があります。3重水素原子核³H（陽子1個、中性子2個からなる）と、ヘリウム3原子核³He（陽子2個、中性子1個からなる）とは互いに鏡像核となっており、ヘリウム3原子核でのみ寄与する陽子同士の電気的反発力の効果を除くと、質量がほぼ等しく同じ構造をもっています。しかし、それぞれの原子核にラムダ粒子を1個加えたヘリウム4ハイパー核⁴_ΛHeと水素4ハイパー核⁴_ΛHでは、質量が大きく異なってしまうという不思議な現象が発見されました。この発見は、ラムダ粒子と陽子や中性子の間にはたらく力の解明にせまる重要な成果です。

この結果は、専門誌Physical Review Letters 115巻　222501頁（11月24日出版）に掲載されました。また、同誌のEditors’ Suggestion（注目論文）にも選ばれました。

論文については、
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.222501
をご覧ください。

注1：荷電対称性
原子核の陽子の数と中性子の数が入れ替わったような原子核を、もとの原子核の「鏡像核」とよびます。互いに鏡像核になっている2つの原子核の性質は、陽子にだけ働く電気的反発力の効果を除くと、ほぼ一致することが知られています。たとえば、互いに鏡像核であるヘリウム3原子核（陽子2個、中性子1個からなる）と、3重水素原子核（陽子1個、中性子2個からなる）とは、質量が等しく、同じ構造をもっています。これは陽子･陽子間の核力と、中性子・中性子間の核力が同じであることから生じます。原子核のもつこのような対称性を荷電対称性と呼びます。陽子や中性子の構成要素であるアップクォーク(u)とダウンクォーク(d)は、電荷の違い以外にはほぼ同じ性質をもっていますが、それが荷電対称性の起源となっています。



注2：ラムダ粒子とハイパー核
素粒子クォークは6種類ありますが、物質を形づくるもととなっている陽子と中性子は、最も軽いアップクォーク(u)とダウンクォーク(d)の組み合わせでできており、陽子は2個のアップクォークと1個のダウンクォーク（uud）、中性子は１個のアップクォークと2個のダウンクォーク（udd）からなります。クォーク3つからなる陽子･中性子の仲間の粒子（バリオンとよぶ）は他にもたくさん存在することが分かっています。その一つがラムダ粒子で、3番目に軽いストレンジクォーク(s)、アップクォーク、ダウンクォークそれぞれ1個（uds）からなるバリオンで、中性子と同様に電荷を持ちません。なお、ラムダ粒子のようにストレンジクォークを含む粒子は、ストレンジ粒子（直訳すれば「奇妙な粒子」）と呼ばれています。
ラムダ粒子は加速器で作ることができますが、すぐに崩壊してしまうので、地球上にある通常の物質中には存在しません。しかし、加速器でラムダ粒子をつくって原子核にいれると、陽子･中性子とともに原子核の構成要素となることがわかっており、このようなラムダ粒子をふくむ原子核をハイパー核とよびます。J-PARCハドロン実験施設は、ハイパー核の研究に適した世界でも数少ない施設の一つで、国内外の研究者によって盛んに実験研究が進められています。

リンク
プレスリリース (東北大学Webサイト)