京都大学ストレンジネス核物理研究グループ Strangeness

Hypernuclear Spectroscopy
at Jefferson Lab

電子ビームが解き明かす、原子核の深奥と中性子星の謎

Exploring the mysteries of deep nuclear structure and neutron stars
via high-precision electron beam spectroscopy.

Physics Motivation

Key Research Themes

01. Interaction

ΛN相互作用の高精度化:
「荷電対称性の破れ (CSB)」の起源に迫ります。質量数 A = 4, 7, 10 系での実績を基盤に、他の p 殻系を含めたより重い領域へと研究を展開します。

High-Precision ΛN Interaction: Exploring the origin of CSB via studies on A = 4, 7, 10 and heavier p-shell nuclei.

02. Nuclear Structure

原子核変形・クラスター研究:
Λ 粒子をプローブとして原子核深部(s, p 軌道)に注入し、不安定核の状態や変形、クラスター構造を浮き彫りにします。

Deformation & Cluster Structure: Probing deep nuclear states with Lambda particles to reveal properties of unstable nuclei.

03. Neutron Stars

中性子星内部の解明:
高密度環境での「ΛNN三体力」や未知の力を解明し、重力波観測等のマクロなデータと整合する真の中性子星像に迫ります。

Neutron Star Interiors: Investigating ΛNN three-body forces to bridge microscopic interactions with macroscopic neutron star properties.

Facility & Setup
加速器施設と実験セットアップ

The Ultimate Beam (CEBAF)

米国・ジェファーソン研究所 (JLab) の超電導電子線加速器 CEBAF は、1 周約 1.4 kmのレーストラック型加速器で、最大 12 GeVのエネルギーを供給します。 その最大の特徴は、エネルギーが高精度で決まっていること、そしてパルスではなく「連続ビーム」であることです。これらの性能により、私たちが進める高精度なハイパー核分光研究が実現されます。

Beam Power

ビーム直径はわずか 100 μm(鉛筆の先程度)。しかしそこに投入される電力は 200 kW(こたつ約400台分)。極小領域に超高エネルギー密度を実現しています。

Experimental Setup for 2027

Experimental Setup JLab Hall C

Figure: Experimental setup for the next hypernuclear experiments at JLab Hall C. Electron beams at 2.2 GeV are impinged on an experimental target to generate Lambda hypernuclei.

次期実験では以下の分光器群を配置します:

  • HES (High Resolution Kaon Spectrometer) & HKS (High Resolution Electron Spectrometer): 散乱電子 (e' )と K+中間子の運動量を測定し、欠損質量法でラムダ・ハイパー核質量を導出。これらの磁気分光器の上流には新たに PCS (Pair of Charge Separation Dipole Magnets) を新設・導入し、信号感度を飛躍的に向上させます。
  • ENGE: ラムダ・ハイパー核が崩壊する際に放出する π- を高分解能で測定し、崩壊 π スペクトロスコピーを実施。

Simulation

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Fusion of Methodologies
確立された2つの分光技術の融合

Method A: Missing Mass

(e, e'K+) Spectroscopy
私たちが JLab で主導・高精度化してきた標準手法。

Method B: Decay Pion

Decay Pion Spectroscopy
ドイツ・MAMI で確立された、崩壊 π- を用いる超高精度手法。

Fusion

2027 Hybrid Experiment

HES・HKSによる「欠損質量分光」と、ENGE による「崩壊 π スペクトロスコピー」を同時実施。
2つの確立された技術の融合により、世界最高精度のハイパー核分光を実現します。

Trajectory of Experiments: Past to Future
挑戦の軌跡と未来への展望

2000 / Hall C

JLab E89-009 Experiment

(e,e'K+)反応分光の可能性を拓いた第一世代実験。

2005 / Hall C

JLab E01-011 Experiment

HKSを初導入し、高分解能分光の基盤を確立。

2009 / Hall C

JLab E05-115 Experiment

HESを導入した第3世代実験。A=7〜52の広域精密分光を実現。

2018 / Hall A

Λnn Search Experiment (E12-17-003)

Hall Aにて2台のHRSを用い、Λと2中性子の束縛・共鳴状態を探索。
→ プレスリリース(京大)

2027~ / Hall C

Next Generation Experiment

装置とシステムに改良を施し、A=6から208におよぶ広質量数領域の包括的測定およびCSB・多体力研究を実施予定。
→ 詳細記事を読む (News Research)

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