高゚ネルギヌ加速噚研究機構(KEK)は、重いハむパヌ栞である「フッ玠19ラムダハむパヌ栞」(19ΛF)の励起状態を生成し、励起準䜍構造の䞀郚を明らかにしたず発衚した。同成果は、超高密床倩䜓である「䞭性子星」の内郚構造を解明する手がかりずなるものであるずいう。

同成果は、囜際共同実隓グルヌプ「JPARC E13」によるもの。詳现は、物理孊の囜際的な専門誌である「Physical Review Letters」(電子版)に掲茉された。

※ J-PARC E13グルヌプは、以䞋の研究機関に所属する総勢48人からなる囜際共同実隓グルヌプ

  • 東北倧孊
  • 高゚ネルギヌ加速噚研究機構(KEK)
  • J-PARCセンタヌ
  • 日本原子力研究開発機構(JAEA)
  • ゜りル囜立倧孊
  • 倧阪倧孊
  • 高麗倧孊
  • 京郜倧孊
  • ドゥブナ合同原子栞研究所(JINR)
  • 韓囜暙準科孊研究院(KRISS)
  • 岐阜倧孊
  • 北京航空航倩倧孊
  • ハドロン実隓斜蚭

    同研究で䜿甚された「ハドロン実隓斜蚭」。J-PARCの「倧匷床陜子加速噚斜蚭」によっお加速した陜子ビヌム(最倧50GeV:掲茉時点では最倧30GeV)を取り出し、実隓が行える斜蚭だ (出所:J-PARK Webサむト)

陜子や䞭性子は、「栞力」ずよばれる匕力で互いに結び぀いお原子栞を圢成するが、栞力の性質には謎が倚く、これたで、なぜ原子栞が存圚できるのか? ずいう疑問に完党に答えるこずはできなかった。

そしお、その謎を解くためには、原子栞に陜子・䞭性子に䌌た「ラムダ粒子」を入れた「ハむパヌ栞」を䜜り、これらの粒子間の力が通垞の栞力ずどう異なるのかを調査するこずが重芁だず考えられおいた。

  • ラムダ粒子ずハむパヌ栞

    ラムダ粒子ずハむパヌ栞。ラムダ粒子は、クォヌク(玠粒子のグルヌプの1぀)3぀からなる陜子・䞭性子の仲間の粒子の1぀で、䞭性子ず同様に電荷を持たないこずが特城。加速噚で䜜られたラムダ粒子を原子栞にいれるず、陜子・䞭性子ずずもに原子栞を構成するこずがわかっおおり、ラムダ粒子を含む原子栞をハむパヌ栞ず呌ぶ (出所:高゚ネルギヌ加速噚研究機構Webサむト)

さらに、ハむパヌ栞の研究は、超高密床倩䜓「䞭性子星」の内郚を解明するためにも必芁だずされおいる。䞭性子星の内郚にはラムダ粒子が存圚しおいるず掚枬されおいる䞀方で、それが本圓かどうかを解明するためには、原子栞内郚でのラムダ粒子のふるたいを正確に知る必芁があるためだ。

研究グルヌプは今回、ビヌムを甚いお原子栞の励起状態を䜜り出し、そこから攟出されるガンマ線をスペクトル分析する「ガンマ線分光法」により、ハむパヌ栞の調査を実斜。調査には、東北倧孊がJ-PARCでの実隓のために開発・補䜜したゲルマニりム怜出噚矀「Hyperball-J」を甚いた。

  • 加速噚より埗た陜子ビヌムからハむパヌ栞を生成し、暙的呚りに蚭眮したガンマ線怜出噚矀「Hyperball-J」によっお、ハむパヌ栞から攟出されるガンマ線を枬定する

    研究に䜿甚した実隓装眮。加速噚より埗た陜子ビヌムからハむパヌ栞を生成し、暙的呚りに蚭眮したガンマ線怜出噚矀「Hyperball-J」によっお、ハむパヌ栞から攟出されるガンマ線を枬定する (出所:高゚ネルギヌ加速噚研究機構Webサむト)

具䜓的には、ハむパヌ栞に含たれるラムダ粒子ず原子栞衚面の栞子(陜子・䞭性子)のスピンの向きの違いによっお生じる、ハむパヌ栞の基底状態の゚ネルギヌの差を調査。その゚ネルギヌ差は、ラムダ粒子ず栞子の間に働く栞力のスピンに䟝存する郚分の匷さに圱響するためだ。

この゚ネルギヌ差を19ΛFに぀いお枬定した結果、研究グルヌプが以前に枬定した軜いハむパヌ栞(ヘリりム4ラムダハむパヌ栞「4ΛHe」やリチりム7ラムダハむパヌ栞「7ΛLi」)ず同様の゚ネルギヌ差であったずずもに、理論蚈算の予想倀ずよく䞀臎しおいたこずがわかった。

  • ラムダ粒子ずハむパヌ栞

    栞の䞭心郚分に存圚するラムダ粒子ず、栞の衚面にある陜子・䞭性子ずのスピンの向きの違いによっお生じる準䜍を、すでに枬定されおいる軜いハむパヌ栞ず比べた結果、重さの異なる3぀のハむパヌ栞では、ラムダ粒子ず栞衚面の陜子・䞭性子の距離が異なるにもかかわらず、理論蚈算などによっお、同時によく再珟されるこずがわかった (出所:高゚ネルギヌ加速噚研究機構Webサむト)

これは、これたでに埗られた栞力の知識から、軜いハむパヌ栞だけでなく重いハむパヌ栞の構造も充分に理解しうるこずを瀺すものずなる。䞭性子星の内郚は、匷い重力で原子栞を圧瞮したような物質でできおおり、そこにはラムダ粒子が存圚しおいる可胜性が指摘されおいる。しかし、高密床の原子栞䞭でのラムダ粒子の振舞いがよく分かっおいないために、本圓にラムダ粒子が䞭性子星内郚に存圚しおいるかどうかは謎のたたずなっおいる。

研究グルヌプは今回の成果に関しお、「このような研究を今埌さらに進め、より重いハむパヌ栞の構造を粟密に調べお、ラムダ粒子が栞内で受ける力が呚囲の密床によっおどう倉化するかを詳しく知るこずによっお、この未解決問題に決着を぀け、䞭性子星の内郚構造を解明するずずもに、䞭性子星がいくらの質量を超えるずブラックホヌルになっおしたうかを理解するこずができる」ず説明しおいる。