研究成果・採択情報

「グザイ核」の内部構造、ついに観測成功 原子核の成り立ちや中性子星の構造の理解に新たな知見

 岐阜大学教育学部・工学研究科 仲澤和馬シニア教授、吉本雅浩学振特別研究員、東北大学大学院理学研究科 吉田純也助教、高エネルギー加速器研究機構・素粒子原子核研究所 高橋俊行教授らの国際共同研究グループは、グザイマイナス1)(ストレンジクォーク1)を2つ持つ粒子)を含む超原子核である「グザイ核」を新たに観測しました(図1)。このグザイ核は、大強度陽子加速器施設(J-PARC)を利用したJ-PARC E07実験で生成されました。この事象は、発見した岐阜大留学生の母国ミャンマーの雄大な河川にちなんで「イラワジ事象(IRRAWADDY event)」と命名されました。解析の結果、イラワジ事象はグザイマイナス粒子が窒素14原子核に強い引力(束縛エネルギー)で束縛した状態とわかり、その大きさは2021年2月に同研究グループが公表した事象(伊吹事象[*])の5倍以上です。このことから、グザイ粒子と原子核との間には電磁気的な力(クーロン力)をはるかに超えた強い相互作用2)(核力)による引力がはたらくことが確定し、グザイ核の内部の準位構造3)の観測にも世界で初めて成功しました。今回のグザイ核の発見は、従来の多くの理論では予期できなかったものであり、今後新たな理論の構築が期待されます。またグザイマイナス粒子などのストレンジクォークを持つ粒子(ハイペロン1))は、この宇宙で最も密度の高い天体であり巨大な原子核といわれる中性子星4)内に出現すると考えられており、本研究成果は中性子星を理解する上で大きな役割を果たします。
 本研究成果は、日本時間2021年7月23日(金)17時にオンライン学術誌:Progress of Theoretical and Experimental Physics (PTEP) 誌で公開されました。

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図1. 写真乾板で観測された新たなグザイ核事象(イラワジ事象)の顕微鏡写真とそのイメージ図
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発表のポイント

  • J-PARCで実施した過去最大規模のグザイ核探索実験により、史上最も大きな束縛エネルギーを示すグザイ核事象(イラワジ事象)を観測した。その束縛エネルギーは、2021年2月に同研究グループが報告したグザイ核事象(伊吹事象)のものよりも5倍以上大きい。
  • イラワジ事象は、グザイマイナス粒子と原子核が最も深く束縛したs状態3)だったことを示している。この状態と、p状態3)を示す伊吹事象を合わせて、グザイ核内部の準位構造が明らかになった。
  • グザイ核の準位構造から、グザイマイナス粒子と陽子・中性子との間に働く力の大きさがわかり、これは原子核がクォークからどのように成り立つのかを紐解くとともに、この宇宙で最高密度の中性子星の内部構造の理解に繋がる重要な知見である。

用語解説

  • 1) ストレンジクォーク、ラムダ粒子、グザイ粒子、ハイペロン、K中間子
     クォーク3つからなる陽子・中性子のような粒子(バリオンと呼びます)は、陽子や中性子の他にもいくつか存在することが分かっています。第3のクォーク、ストレンジ(s)も考えると、ラムダ粒子(uds)、グザイマイナス粒子(dss)、グザイゼロ粒子(uss)といった粒子などがあります。グザイと名の付く粒子には、ストレンジクォークが二つ含まれます。このようにストレンジクォークを含む、ラムダ粒子やグザイ粒子などのことを総称してハイペロンと呼びます。
     ラムダ粒子やグザイ粒子などハイペロンが入った原子核を超原子核といい、ラムダ粒子が入ったラムダ核やグザイ粒子の入ったグザイ核などがあります。
     また、クォークと反クォークからなる中間子と呼ばれる粒子も存在します。ストレンジクォークを一つ持つ負電荷のK中間子(K-)は(ūs)で、ūはuの反クォークです。本実験で用いるグザイマイナス粒子は、K-ビームがダイヤモンド標的中の陽子と反応することで、正電荷のK中間子(K+)とともに次のように生成されます。
    20210716-1.jpg  グザイマイナス粒子は、陽子と反応して、2つのラムダ粒子に変換します。この変換反応によりグザイ核は崩壊します。この時、2つのラムダ粒子がたまたま原子核に束縛され2つのラムダ核になったものが今回観測した事象です。
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  • 2) 強い相互作用
    「強い力」ともいい、自然界に存在する4つの相互作用(力)の一つ(他の3つは、弱い相互作用、電磁相互作用、重力相互作用)。クォーク間に働いて核子(陽子や中性子)を形作ったり、核子間に働いて原子核を形作ったりします。この力の性質の理解を深めることは現代物理学の重要課題の1つであり、それには、地球上に自然には存在しないストレンジクォークを含む粒子同士や、それらと原子核や核子との間に働く力を調べることが重要なカギとなります。そこで、加速器を用いてストレンジクォークを含む「超原子核」をつくり、強い力の研究が行われています。
  • 3) 準位構造
    原子内の電子は、エネルギーの決まった軌道(K殻、L殻、・・・)上にあります。原子の励起(エネルギーが上がること)から放出されるエックス線がある決まったエネルギーを持つのは、電子が軌道(状態)間を移動(遷移と言います)することによるものです。同様に、通常の原子核内の陽子と中性子にもそのような状態があり、準位と言います。励起した原子核から放出されるガンマ線のエネルギーが決まっているのは、陽子や中性子の準位間の遷移によるものです。原子の場合の、K、L、などのように、原子核ではエネルギーの深い準位から順に、s、p、dなどと名前を付けます。本研究では、グザイ核においてもグザイマイナス粒子のs、pなどの準位が核内に初めて観測されました。
  • 4) 中性子星
    中性子星は、宇宙で最も密度の高い天体であり、太陽の8倍以上の質量を持つ大質量星の進化の最終段階で起こる超新星爆発で誕生すると考えられています。中性子星は、太陽の1.5~2倍の質量を持ちますが、半径は10km程度しかなく、その中心部は非常に高密度で、1cm3(スプーン1杯分)あたり10億トンにも達し、その密度は通常の原子核の5~7倍にもなります。中性子星はその名のように主に中性子で構成されています。中心部のような非常に高い密度領域では、中性子のエネルギーが非常に高くなり、中性子でいるよりさらに重い粒子であるハイペロンに変わった方が内部の粒子運動が穏やかになるため、ハイペロンが出現します。一方、ハイペロンの出現により運動が穏やかになると、中心部の圧力が下がります。私たちの実験結果のように、ハイペロンと核子、ハイペロンとハイペロンの間の相互作用が引力的であれば、より低い密度でもハイペロンへの変換が起こり、さらに内部の圧力が下がります。すると重い中性子星は自らの重さを支えられなくなり、存在できないことになってしまいます。天体観測では太陽の2倍の質量をもつ中性子星が見つかっており、引力的なハイペロンの相互作用との矛盾は「ハイペロン・パズル」と呼ばれ大きな議論になっています。
  • [*] 伊吹事象
       https://www.gifu-u.ac.jp/news/research/20210302.pdf
       https://www.gifu-u.ac.jp/news/research/2021/03/entry02-10631.html

詳しい研究内容について

「グザイ核」の内部構造、ついに観測成功
  原子核の成り立ちや中性子星の構造の理解に新たな知見

Internal structure of the Xi nucleus finally observed
  New insights into the formation of nuclei and the structure of neutron stars

論文情報

  • 雑誌名:Progress Theoretical and Experimental Physics
  • 論文名:First observation of a nuclear s-state of Ξ hypernucleus, 15C
  • 著 者:M. Yoshimoto et al.
  • DOI番号:10.1093/ptep/ptab073
  • 論文公開URL:https://www.doi.org/10.1093/ptep/ptab073

2021.07.26

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