ハドロンビームを用いたストレンジネス核物理

様々な実験のうち、E70：Ξハイパー核分光実験を紹介します。
Ξ粒子はストレンジクォークを２つ含むバリオン（核子の仲間）です。Ξ粒子が原子核中に束縛されている、Ξハイパー核の欠損質量分光実験（図５）を行う事でΞ粒子と核子の相互作用（ΞN相互作用）に関する情報を得ることを目的としています (参考資料：「S-2SとAFTを使った高分解能グザイハイパー核分光」、原田 健志、S-2S ワークショップ (京大)、2023 年 8 月 19 日)。

現在まで、ストレンジクォークを２つ含む系の実験情報は数例に限られています。また、Ξハイパー核の束縛状態をピークとして観測した例はありません。ピーク構造を観測できれば、ΞN相互作用の貴重な情報を得ることができます。我々は大強度のK-ビームを利用できるJ-PARCにおいて、高分解能のS-2Sスペクトロメータ（図６）やアクティブ標的を用いることで、従来の実験よりもエネルギー分解能を向上させ、このピークを初めて観測することを目指しています。

S-2S スペクトロメータは K1.8 ビームライン実験エリアにインストールされ、 2023 年 6 月には実際のハドロンビームを使った試験的データの取得を行いました。 詳細なデータ解析は進行中ですが、概ね検出システムが設計通り動作していることが確認できました。 2023 年度中には物理データの取得を開始する予定です。

ハイペロンの内、Λ (uds クォークで構成される) は最も軽い粒子であるため中性子星の高密度環境 において、より低密度領域で自然に発生すると考えられています。 すなわち、中性子星の内部構造を理解する上で Λ と核子の間 (ΛN) に働く 強い相互作用の理解は s クォーク系に拡張されたバリオン間相互作用研究 において、最も重要な相互作用であると言えます。 ΛN 相互作用を理解するためには、 Λ ハイパー核の質量分光研究が主要な役割を担います。 ΛN に働く強いちからにおいて、最も特徴的な性質が 「荷電対称性の破れ」 (Charge Symmetry Breaking = CSB) です。 Λ-中性子間とΛ-陽子間 に働く相互作用が異なっているということです。 Λ はアイソスピンを持ちませんから、荷電対称性が破れている、つまり アイソスピン依存性があるという事実はとても不思議なことです。 ΛN CSB は実験的に発見されてから 50 年以上経ちますが、 未だ最新の理論研究をもってしても定量的な説明がついていない「パズル」であり、 多くの科学者が解決を目指して先端的な研究を展開してます。

J-PARC E94 実験は、Λ ハイパー原子核の質量を極めて正確に測定することで ΛN CSB の謎の解明を目指します。一秒間に 10,000,000 個 もの π⁺ 中間子 を実験標的に照射し (500 万個 / 2 秒間スピル長)、 (π⁺,K⁺) 反応によって生成された ハイパー核の生成信号を高精度で測定します。このときに、生成した K⁺ は 反ストレンジクォークを含む中間子であることから、原子核にストレンジクォークを埋め込んだ 可能性がある事象のプローブとなります。私たちは、K⁺ を新しく設計・建設した S-2S 磁気分光器を用いて Δp/p ~ 0.06% (半値全幅) もの高精度で運動用解析し、 ハイパー核の高精度分光を実現します。

2022 年に実験申請を行い Stage 1 として採択されました。2023~2024 年に 実験技術面でのレビューを受けて、2024 年度中の実験施行を目指して準備を進めています ( 参考資料：「S-2S による (π⁺,K⁺) 反応を用いたラムダハイパー核分光 J-PARC E94 とその先の研究」、後神 利志、S-2S ワークショップ (京大)、2023 年 8 月 19 日)