素・核実験

原子核物理

教員

教授/小林 俊雄 教授/田村 裕和 HP 教授/中村 哲
准教授/岩佐 直仁 准教授/関口 仁子 HP 准教授/小池 武志
助教/金田 雅司 HP 助教/三輪 浩司 助教/永尾 翔 助教/三木 謙二郎 助教/後神 利志

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、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、原子核深部を探ることができる。また、ハイペロンによって引き起こされる原子核構造の変化には、原子核物理の常識を覆す興味深い現象が多い。一方、ハイパー核の構造からハイペロン・核子間の相互作用が明らかになり、核力を重粒子間相互作用へと拡張してこれを統一的に理解する道が開ける。また、中性子星内部の超高密度物質にはハイペロンが安定に存在し、中性子星はそれ自体が巨大ハイパー核になっていると予想されている。我々の研究はその解明につながる。

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、GeV 領域の 線ビームを重陽子に当て、生成される中性 K 中間子を我々の開発した中性 K 中間子スペクトロメータ(NKS2) で測定することで、電磁相互作用によるストレンジネス生成過程を調べる研究を進めている。
 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。

2.エキゾティック原子核と核力の物理
(1) RI ビームを用いたエキゾティック原子核物理
 原子核を構成する中性子と陽子の比がアンバランスな中性子/陽子過剰核は、原子核の極限状態の一形態であり、ハイゼンベルグの安定線から離れた中性子/陽子ドリップライン近傍に存在する。これらのエキゾティック(不安定) 核は、中性子ハロー、中性子スキン、柔らかい巨大共鳴、魔法数の破れ等の、通常の安定核には見られない特異的な性質を持ち、恒星や超新星中での元素合成過程に重要な役割を果たしている。
 当グループでは、このような不安定核の性質をRI ビームによる原子核反応によって理解する研究を進めており、理研、東工大と共同で、次世代加速器・理研RIBF にSAMURAI と呼ばれる大型の多粒子磁気分析器(図4) を建設した。SAMURAI は2012 年度に完成し、2013 年度より本格的な実験研究を開始したところである。

図4: 理研RIBF に我々が建設した多粒子磁気分析器SAMURAI。

(2) 偏極ビーム・標的による3体力の研究
原子核の理解には、その元となる強い力である核力の理解が欠かせない。これまで核力は主に2つの核子の間を中間子が交換する事で説明される2体力として理解されてきた。近年、3つの核子間に働く3体力も、原子核の束縛エネルギーや中性子星などにおいて、重要な役割を果たしていることが指摘されている。
 当グループでは、3体力を含む核力の統一的な理解を目指して、理研RIBF、東北大CYRICで偏極ビーム・標的の開発を行い、少数核子系の実験研究を遂行している。

3.短寿命核ビーム物理

 寿命が短い原子核(短寿命核) の構造や宇宙での元素合成を研究するため、短寿命核を生成し、その崩壊や原子核反応を測定している。
 (1) 短寿命核を核反応で励起し、励起エネルギーや換算遷移確率を求め、短寿命核の構造を研究している。(2) 新星や超新星で爆発的に進行する陽子や中性子を捕獲する反応を、直接または間接的に測定し、重い元素の合成過程を調べている。(3) 存在するとされる約一万種の原子核の約2/3 は未知である。RI ビーム生成分離装置の高度化を進め、これらの同位体を探索している。

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