素・核実験

原子核物理

教員

教授/田村 裕和 HP 教授/中村 哲
准教授/岩佐 直仁 准教授/小池 武志 准教授/関口 仁子 HP 准教授/三輪 浩司
助教/金田 雅司 HP 助教/永尾 翔 助教/本多 良太郎 助教/三木 謙二郎

研究について

図1: 原子核物理学の最先端

原子核物理のフロンティアは、加速器の急速な進歩により近年めざましく拡大している。図1 に示すように、従来研究されてきた通常の原子核とは本質的に異なる様々な極限状態の原子核を生成し、その性質を実験的に研究することが可能となってきた。こうした研究によって、我々の物質観は大きく拡張されつつある。当研究室は、極限状態の原子核として、(1) 核子(陽子、中性子)以外にラムダ、グザイ粒子などのハイペロン(“ストレンジネス” 量子数をもつ、すなわちストレンジクォークをもつ重粒子)を構成要素として含むハイパー原子核(図1 左上)や、(2) 陽子数と中性子数のバランスが大きく崩れた原子核である陽子・中性子過剰核(図1 右上)を実験的に生成し、その性質を研究している。また、(3) 原子核を構成する核子間に働く3体力、および(4) 短寿命原子核についても研究を進めている。実験は、国内外の加速器施設において様々なエネルギーのπ/K 中間子、電子、原子核、RI(不安定原子核)、偏極重陽子のビームを駆使して行っている。

1. ストレンジネス原子核物理
 この世界の原子核は、アップクォークとダウンクォークで構成されるが、そこにストレンジクォークを加えることで、新しい物質世界が拓かれるとともに、クォーク多体系の一種である原子核のより本質的な理解が可能になる。
 まずハイパー核構造の研究やハイペロンの散乱実験によりハイペロン・核子間の力が明らかになり、核力をバリオン間力へ拡張して統一的に考えることで、複雑な核力をその下のクォークの階層から理解する道が開ける。また超高密度の中性子星内部ではハイペロンが安定に存在し、中性子星自体が巨大ハイパー核になっていると予想されているが、我々の研究はその解明のために不可欠である。さらに核内で核子によるパウリ排他律を受けないハイペロンを探針として、原子核深部での核子(バリオン)の振舞いや構造変化を探ることができる。

図2: (左)米国JLab に設置したHKS およびHES。(右)ドイツMAMI-C のSpek-A,B,C スペクトロメータ(赤、青、緑)とKAOS (紫)。

図3: (左)ハイパー核γ線が精密に測れる世界唯一の装置Hyperball-J と、(右) その心臓部。

 当グループでは、ラムダハイパー核の分光を中心にストレンジネスをもつハドロン多体系の物理(ストレンジネス核物理)の実験的研究を以下のように推進している。(1) 米国ジェファーソン国立研究所(JLab) において我々は(e, e′K+) 反応によるラムダハイパー核分光実験という新しい研究手法を創始し、その後高分解能磁気スペクトロメータ(HKS, HES) を導入し(図2 左)、実験を成功させた。現在、JLab での次期計画の検討とともに、ドイツマインツ大学のMAMI-C 加速器施設において、KAOS スペクトロメータ(図2 右) を用いたハイパー核電磁生成分光実験とハイパー核崩壊パイ中間子分光実験を展開している。(2) 我々はラムダハイパー核から放出されるγ線の精密測定に世界で初めて成功した。J-PARC の大強度ビームを使ってこのハイパー核精密γ分光研究を格段に発展させるため、新たに開発した大型半導体検出器群(Hyperball-J)(図3) を用いて実験を進めている。さらに、J-PARC でシグマ粒子やグザイ粒子と核子との相互作用を初めて調べる実験も準備している。(3)本学電子光理学研究センターの 1.3 GeV 電子加速器において、我々の開発したNKS2スペクトロメータを用いた中性K中間子光生成反応研究を推進、さらにΛn終状態相互作用、3ΛHハイパー核寿命測定実験といった新実験計画を準備し電磁プローブによるストレンジネス核物理の研究を展開している。
 この(1)、(2)、(3) は、いずれも世界の最先端を切り拓く研究で、当グループを中心に他大学や外国の研究者も加わっており、当グループは世界有数のストレンジネス核物理の研究拠点となっている。

図4: 東北大CYRICで開発中の偏極3He標的

2.エキゾティック核と核力の物理
近年、三つの核子が同時に作用する事で生じる三体核力が、元素合成の仕組みを理解する鍵となるエキゾティック核(中性子・陽子過剰核)や、星の終焉である超新星爆発や中性子星の存在を理解する上で不可欠であることがわかってきた。
三体核力には、核子内部のクォークの動きをとらえられるという面白さもある。
これまでに我々のグループでは、理研RIBFにおいて偏極重陽子ビームを用いた三核子系散乱の高精度測定から世界で初めて三体核力の証拠を示すことに成功している。
現在我々は、三体核力を含む核力の全貌を明らかにし、核力によって原子核、星がどのように形成されてゆくのか(エキゾティック核の生成)を理解するため、少数核子系散乱の実験研究を推進している。
実験研究は、偏極ビーム・標的等の実験装置の開発(図4)も含め、東北大CYRIC、理研RIBF、大阪大学RCNPを拠点として行っている。

図5: 原研タンデムで行った実験で使用した磁気分析装置ENMA 

3.短寿命核ビーム物理

水素を除く全ての元素は、初期宇宙や星などで起こる原子核反応で合成されたものである。
特に、質量数70以上の元素の約半分とウラン・トリウムは、超新星爆発・中性子星合体で起こる爆発的元素合成で作られたと考えられている。
しかし、爆発的元素合成反応経路上の短寿命核には質量・半減期・原子核反応率がわかっていないものが多く、いつ、どこで、どれだけの元素が合成されたかはまだ明らかになっていない。

我々は、宇宙核物理学における諸問題を解明するために、(1) 天体核反応の反応率の実験的研究、(2) 元素合成経路上の未確認の短寿命核の探索、 (3) 短寿命核ビームを用いた原子核反応による短寿命核の構造の研究を行っている。
実験は、理研RIBF、東大CNS、原研タンデム、東北大CYRIC、ドイツGSIで行っている。

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