電子ビームを用いたストレンジネス核物理

我々の身の回りの物質は原子で構成されます。原子は原子核と電子で成ります。 地球上に存在する原子核は、アップ (u) 、ダウンクォーク (d) から成る核子 (陽子、中性子) が構成要素です。 陽子は uud、中性子は udd といったように、三つのクォークが組み合わせで核子は 成りますが、三つのクォークで成る粒子を重粒子 (バリオン) と呼びます。

自然界には異なる種類のクォークを含む粒子も存在します。 u、d クォークの次に重たいクォークがストレンジクォーク (s) です。 s クォークを含む重粒子をハイペロンと呼称します。 このハイペロンが含まれる原子核が「ハイパー原子核」、或いは「ハイパー核」です (下図)。 ハイペロンには種類があり、スピン・パリティが 1/2⁺ の仲間 (最もエネルギーの低い(より安定的な)状態) では、 s クォークを一つ含むラムダ (Λ) や s クォークを二つ含むグザイ (Ξ) といった粒子が存在します。

核子間の相互作用は湯川 (1949年ノーベル賞受賞) が提唱した中間子交換模型等により、 クォーク模型と無矛盾的に記述されてきました。 また、計算機の能力の飛躍的な向上に伴い、格子QCD (量子色力学) 法による 第一原理計算を用いたバリオン間に働く相互作用の研究も進んできています。

私たちの研究グループは、ハイパー核の質量を世界の先端技術で調べることにより、 核子間から「s クォークも含むバリオン間」に拡張した相互作用の研究を実験的に進めています。 また、ハイペロンを不純物として原子核に束縛させることにより発現する通常核 (ストレンジクォークを含まない原子核を指す) とは異なった 原子核の性質・現象も興味深い研究対象です。

ハイパー核は約 70 年前に、気球に搭載したエマルション写真乾板に宇宙線を照射し、 そこに記録された荷電粒子同士の反応や崩壊の様子のイメージ解析によってはじめて見つかりました。 それ以来、数々の実験手法を用いて様々な核種のハイパー核の測定が試みられて、 現在では約 40 種類のハイパー核の存在が確定しています。 これまでの半世紀以上の研究でわずか 40 種類のみですので、 まだまだ調べるべき核種が山積みです。 さらに、技術的な制約によりまだまだ測定の「質」(つまり、精度や統計量) がハイパー核の性質を 詳細に調べることができるに足るという状況ではありません。 現在は、多くの科学者が 世界中で先端的な粒子加速器施設と粒子測定技術を駆使しつつ 異なる実験手法を用いることによって、 個々の実験技術特有の得意・不得意を補い、 多角的なハイパー核の性質研究を展開しています。 　　　　　　　　　　　　　　　　

ここで紹介する電子線を用いたラムダハイパー核分光手法は、質量の絶対値測定を 世界最高精度で行うことができます。 つまり、質量測定を極めるために開発されてきた技術です。 ハイパー核物理研究は、通常原子核と比較して、 極めて情報が乏しいです。まだまだ未知の物理が潜んでいることは間違いないため、 これから精力的に進めていかなければいけない分野の一つです。 米国・ジェファーソン研究所 (JLab) で遂行している ハイパー核分光研究は、 50 ~ 100 名規模の中~大型な国際共同研究ではありますが、 我々日本人がチームを率いる形でプロジェクトを推進しています。 実際に、2026 年に施行予定の次世代ハイパー核実験 プロジェクトのスポークスパーソンの 7 名のうち、 2 名は京大・後神を含む日本人で構成されています。 また、主力メンバーの多くは日本人学生 が占めています。中~大型国際共同研究チームをリードして 研究活動を遂行してみたいという気概のある学生や若手研究者の皆さん、 世界トップレベルの大きな実験研究をぜひ一緒にやってみませんか？ ご参考までに、最近の研究成果を二つ紹介します：

最近の成果１ (2021 年 4 月)： ハイパーリチウム 9 の測定に成功
ハイパーリチウム 9 (⁹_ΛLi ハイパー核) の質量を 1.1 MeV (FWHM) の高精度で、JLab の実験ホール C における実験で調べることに成功しました。 本実験は JLab Hall C において、高分解能磁気分光器 HES と HKS を用いて施行しました (下写真)。

⁹_ΛLi ハイパー核は、 通常のリチウム原子核 (⁶Li や ⁷Li) よりも多く中性子が結合している中性子過剰原子核 ⁸Li に Λ が一つ束縛した、中性子過剰 Λ ハイパー核と呼ばれる特殊なハイパー核の一種です。 ハイパー核中のハイペロンはホストとなるコア原子核 (ここでは、⁸Li) の性質をほとんど 壊さないという性質を持っています。 この性質から、Λ を原子核に埋め込み、そのエネルギー状態を調べることで コア原子核の特性を調べる研究が可能です。 得られた ⁹_ΛLi の結果は、 コア原子核 ⁸Li のある特定の励起状態 に⁵He とトライトンの塊構造 (クラスター構造) が発達している可能性を示唆しました。 Λ をプローブとした原子核の分布測定は原理的に可能であると 理論的には提唱されているものの、未だ実験的には確立されていません。 私たちは本研究により、コア原子核のクラスター化や変形といった原子核の空間的な分布、 つまり形状を Λ をプローブとして調べられる可能性を実験的に示しました。 今後の研究の展開の視野を格段に広げる成果と位置づけられる重要な結果です。 本研究結果は、 アメリカの国際物理ジャーナル誌 (原子核物理分野) Physical Review C の「速報 (Letter)」 として、緊急性の高いニュースとして論文が公表されました: Phys. Rev. C 103, L041301 (2021)。

最近の成果２ (2022 年 3 月)：純中性原子核 nnΛ の探索実験。生成断面積の上限値の決定に成功
原子は正電荷を持つ原子核と負電荷を持つ電子がバランスして、 通常は電気的に中性の形で存在しています。 電気的に中性な原子核は存在しないと考えられてきましたが、 ドイツ・GSI の実験グループが Λ 一つと中性子二つで 成る Λnn 原子核の束縛状態の信号と解釈できる事象を実験的にとらえました。 Λ は電気的に中性ですから、Λnn は純粋な中性原子核です。 この Λnn の束縛状態の存在は最新の原子核物理の知見を用いても 全く理解できない謎であり、注目を集めています。 私たちは、Λnn 束縛状態の存否を GSI の実験手法とは全く異なる手法を用いて 調べるための実験をJLab 実験ホール A において 2018 年に施行しました。 この実験では、放射能を有するトリチウム (陽子一つ、中性子二つで構成される原子核に 電子が一つまとわりついた原子です。実際には、 T₂ 分子として構成されているトリチウムガスを 40 K に冷却し さらに圧縮して使用しました) に 43 億電子ボルトに加速した電子を一秒間に約 140,000,000,000,000 個打ち込 む条件で約一か月間データを取得しました (下図)。

今回の実験の結果、残念ながら統計的に有意に Λnn の信号をとらえることはできませんでした。 しかし、電磁生成による Λnn 原子核の生成確率 (断面積) の上限値の測定に初めて成功しました。 生成確率と Λ-核子間の相互作用には関係があるので、 本研究で得られた結果と 理論計算との比較を行う事により、 Λnn の存否や Λ-核子間相互作用についての新しい知見が得られることが期待されます。 また、本研究によって生成確率の情報を取得したことにより、 次の探索計画の具体的な戦略が立てられます。 今回の結果に基づいた最適な実験設計を考案し、 より Λnn に対して高感度な実験を計画していく予定です。 本論文は、2021 年 12 月 6 日に国際学術誌「Progress of Theoretical and Experimental Physics」 (Volume 2022, Issue 1, January 2022, 013D01 → https://doi.org/10.1093/ptep/ptab158) にオンライン公開されました。

もう少し詳細を知りたい方はぜひ以下のプレスリリースの本文をご一読ください:
　→ プレスリリース記事 (2022/3/8) (English)

さて、ここで私たちが使っている実験ツールを少し紹介します。 私たちは、アメリカ東海岸に位置するジェファーソン研究所 (https://www.jlab.org/) にある世界最高峰の電子線加速器施設 (CEBAF) を用いて実験研究を行っています。 CEBAF は、長さ約 700 m の超電導線形加速器 2 本 がアーク部と呼ばれる 弧状に配置された粒子偏向部で接続した陸上競技のレーストラックのような形状の 加速器施設です。 CEBAF で電子が得る最大エネルギーは 12 ギガ電子ボルトという膨大なエネルギーですが、 ハイパー核実験には最大エネルギーでなく、 2 ~ 4 ギガ電子ボルト程度のエネルギーの電子を使います。 通常、電子ビームの空間的な広がりは非常に小さくおおよそ直径 100μm 程度 で、鉛筆の先ほどの面積になります (ペンシルビーム (pencil beam) と呼ぶこともあります)。 例えば、4 ギガ電子ボルトのエネルギー、 50μA の強度とした条件で 標的に照射して実験を行うとをすると 200 kW もの電力に相当します。 一人暮らしで使うようなこたつの一般的な電力がおおよそ 0.5 kW ですから、 鉛筆の先ほどの面積に集中させたこたつ 400 台分の電力を実験標的に叩き込んでいるようなイメージです (実験標的の厚さと反応の確率から、実際に標的内で落とされるエネルギーは わずか数 W ~ 10 W 程度です。 この標的内で落ちるわずかなエネルギーもほとんどが ハイパー核生成とは全く関係ない物理反応に起因しています)。 以上のように強力なだけでなく、 エネルギーが高精度で決まっていたり、パルスでなく連続ビームである といった性能等を持ち合わせているという複数の理由が、 JLab (CEBAF) を 電子ビームを用いた高精度 Λ ハイパー核欠損質量分光 を遂行するため唯一の加速器施設たらしめています。

実際には、 Λ ハイパー核を高精度で測定するために必要な条件を満たしている 電子線加速器は JLab の他に、 ドイツ・マインツ大学に設置されているマインツマイクロトロン (MAMI) もあります。 しかし、ビーム加速器の性能だけでなく、 散乱粒子の測定用装置の性能もそれに応じて高精度化する必要があります。 私たちは、 日本グループが開発した高分解能磁気スペクトロメータ (HES、HKS) を JLab の超高性能加速器と 組み合わせて用いることにより、 Λ ハイパー核の欠損質量の高精度測定を可能としました (参照 → 2018 年に本実験手法について国際学術誌に公表した論文: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 900, 69-83 (2018); https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.05.042)。

先述の通り、 ハイパー核実験を行う際、実験標的に一秒間あたり 100,000,000,000,000 (10¹⁴) 個以上の 超大強度の電子を標的に照射するにもかかわらず、 ハイパー核の生成は とても稀で、一秒間にほんの 0.0002 個程度の頻度でしか捕らえられません。 ハイパー核測定のためには大型な加速器と測定に特化した先端測定技術の投入が不可欠ですが、 主に大学院生が主導してこれらの装置・検出器の開発やメンテナンス、オペレーションを行っています。 装置のみならず、データ解析のためのソフトウェアの開発・改良も 進めています。

現在、以下の実験が JLab において採択されており、2026 年の実験施行を目指して準備を進めています:
　- (a) JLab E12-19-002: ΛN 間荷電対称性の破れ (CSB) の検証。ハイパートライトンパズルの解明
　- (b) JLab E12-15-008: ΛNN 相互作用のアイソスピン依存性の研究
　- (c) JLab E12-20-013: ΛNN 三体力の研究

これらの実験は共通実験セットアップを使用して施行する計画です。 私たちの使用する実験装置は実験ホールにセットアップするだけで、半年程度の時間を要します。 研究所での研究アクティビティを最大限にするためには、 セットアップに時間を多く割かれるのは避けて、 実験そのものに多くの時間を使うべきです。 つまり、これらの実験を別々に行うよりも、 セットアップをしたら一度に全てのデータを取ってしまうのが効率が良くなります。 しかし、実はそのような設定を探すのは簡単ではありません。 実験標的が変わるだけと言えばそれだけなのですが、 標的変更にともなって実験状況はかなり異なってきます。 特に信号とノイズの比率が大きく異なるため、 本来であれば個々の標的に対する最適な実験セットアップが異なります。 とは言っても、JLab にはハイパー核研究以外にも 多くの実験プログラムも多くあるので、私たちがわがままを言って 個々の標的に最適なセットアップを三度も行いそれに JLab スタッフの多大な時間と労力 を使うのは取るべき策でないと考えています。 もちろん、実験を分けると私たちのグループがコミットする 労力や時間も多くなります。 私たちはこれらの全てのハイパー核実験標的に対して、 世界最高の精度でありながらリーズナブルな結果を得るための 「良い塩梅の」共通実験設定を現在調べています。 この共通実験設定の最適化 (= つまり実験設計) には、 信号と信号を見えにくくするノイズの物理反応 を考慮した緻密な見積もりが必要です。 私たちは、 シミュレーション世界に現実を模したセットアップを組み そのシミュレーション世界での信号感度の評価をすること によって実験セットアップの最適化を行っています。 これだけでもかなり大仕事ですが、 この類の最適化も大学院生が主導的に進めています。

ここで、物理の内容についても一つ紹介します。上記 (a) の実験プロジェクトでは、 観測史上最も単純なハイパー核であるハイパートライトンの最高確度測定を目指しています。 ハイパートライトンは中性子一つ、陽子一つ、Λ 一つで構成される ハイパー核で、³_ΛH と表現されます。 ハイパートライトンは非常に「ゆるく」束縛していることが知られています。 陽子と中性子の 2 体の束縛状態である重陽子に対して、 Λ が一つくっついている という見方をした際の、束縛エネルギーがわずか 0.13 MeV 程度という事 が分っています。束縛エネルギーがわずか 0.13 MeV という測定事実から、 重陽子と Λ の距離が 10 fm 程度も離れているということが導けます。 緩い束縛の典型である重陽子でも、陽子と中性子の距離は 2 fm 程度です。 つまり、ハイパートライトンに束縛している Λ は 重陽子からの相互作用をあまり感じないはずです。 このような描像からハイパートライトンの寿命 (=壊れやすさ) は、 自由空間にある Λ の寿命と同程度とナイーブには考えられます。 実際に、現実的な相互作用模型を用いた理論的な多くの計算も ハイパートライトンと Λ の寿命が同程度であると予言しています。 しかし、重イオンビームや重イオン衝突実験手法を用いた 近年のハイパートライトンのいくつかの寿命測定では、 それに反して、「寿命が短い」という結果が示されました。 このハイパートライトンの弱い束縛と短寿命性の矛盾が 「ハイパートライトン・パズル」と呼ばれ、 近年のハイパー核物理研究の中で特に注目を集めている大問題です。 このパズルを解決するために世界各地の先端物理学研究施設が ハイパートライトンの束縛エネルギーと寿命をより高精度で測ろうと計画しています。

私たちは、JLab において確立した電子線を用いた Λ ハイパー核の精密分光法を用いて、 ハイパートライトンの質量 (→ 束縛エネルギー) を統計誤差・系統誤差込々で ±0.07 MeV 程度 以下の世界最高レベルの確度で決定することを目指しています (JLab E12-19-002)。 本測定により、ハイパートライトン・パズルを解決の糸口へと導ける事が期待されます。また、 JLab E12-19-002 では他にハイパー水素 4 (⁴_ΛH) も測定します。 ハイパー水素 4 はハイパートライトンに中性子がもう一つ束縛された原子核系です。 ここでは詳細を省きますが、このハイパー水素 4 (⁴_ΛH) の束縛エネルギーは Λ-核子(N) 間相互作用で特徴的なの性質である 「荷電対称性の破れ」 (Charge Symmetry Breaking; CSB) を 調べる上で最も重要な基礎物理量の一つです。 核子間相互作用ではほぼ荷電対称性が保たれていますが、 Λ-N 間相互作用では対称性が破れている (つまり、Λ-中性子間とΛ-陽子間の (強い) 相互作用が異なる) という事が実験的に証明されています。 しかし、この CSB の起源やその定量的な発現についてはまだ完全には理解がされていません。 私たちは、これまでも CSB についても精力的に研究してきましたが、 さらに高感度な実験展開を JLab において計画しています。 CSB 研究のためには、陽子数と中性子数がちょうどひっくり返っている核種 (= 鏡像核) のエネルギー差を調べる研究が有効です。 JLab における電子線で生成するハイパー核と鏡写しの核種も 従来にない精度で測定して CSB に関する新たな知見を得ようとする プロジェクトも日本・J-PARC において準備を進めています (J-PARC E94 実験)。

上記の (a)-(c) の採択された実験で測定する Λ ハイパー核種は、 ³_ΛH、⁴_ΛH、 ⁴⁰_ΛK、⁴⁸_ΛK、 ²⁰⁸_ΛTl と非常に広い質量数領域に及んでいます。 それぞれの核種からの、 私たちが知らない新しい物理の知見が得られると期待されます。 さらに、2023 年には新たに ⁶_ΛHe、 ⁹_ΛLi、 ¹¹_ΛBe、 ²⁷_ΛMg といった核種の測定アイディアについて Letter of Intent (LoI) として 提出しました (参考資料: LoI to JLab PAC51,「p-シェルハイパー核における荷電対称性の破れ研究」, 2023 年 5 月)。 かなり大がかりな実験になりますので、 国際チームでの協力体制による遂行は欠かせません。 特に主力メンバーとしてチームを主導して活躍してくれる大学院生や若手研究者は不可欠です。 皆さんの本研究への参加は大大大歓迎です。興味を持たれましたらぜひお気軽にご連絡ください。

私たちは国際共同研究を進めています： 京都大学、東北大学、東北医科薬科大学、ハンプトン大学 (米)、 フロリダ国際大学 (米)、INFN (伊) 等。 先ほど示したように実験プロジェクトは複数走っていますが、 主導してこれらの研究を進めるのは特に日本国内のグループ (の大学院生) です。 国際研究を主導的に推進する責任を持ちながら、和気あいあい楽しく研究をしています (下写真)。 研究内容に興味がある方、 また、国際共同研究に興味があったり、 海外の人との交友関係を築きたい方、 英語が苦手だが流暢に話せるようになりたい方、 海外の生活・研究文化に興味がある方、等々の皆さん、私たちのチームの一員として一緒に物理学の先端研究をしてみませんか。