季刊誌

04NO.

JAPANPROTONACCELERATORRESEARCHCOMPLEX

2016

特集
ハドロン実験施設 研究者インタビュー

素粒子・原子核の標準理論

その先を知りたい
小松原健
目で

山本剛史

高橋俊行

覚 える

素粒子・ハドロン・原子核ハドロン

素粒子（クォーク）
グザイ粒子

原子核
K 中間子
ボトムクオークとトップクオーク

シグマ粒子

ラムダ粒子

パイ中間子
ストレンジクォークとチャームクォーク

中性子と陽子

ダウンクオークとアップクオーク

目で

覚 える

素粒子・ハドロン・原子核
クォークは現在 6 種類が見つかっており、それらが複数組み器を用いて人工的に大量に作り出す必要があります。

合わさったのが「ハドロン」です。
「ハドロン」には様々な種類加速した陽子のビームを金標的に当てると、様々な粒子ががありますが、私たちの身近な世 界（地上）の物質は「陽子発生します。この中から実験に必要な粒子を選び出して使と中性子」からできています。
（ハドロンの表、下段左の 2 つ）

用します。粒 子によっては生 成 確 率が非 常に小さなものも陽子や中性子以外のハドロンは、宇宙線で生成されても短あるの で、大 量 の 粒 子を生 成 できる J-PARC の 大 強 度 陽 子

い時間しか存在しないので、実験に使用するのには向いてビームが必要なのです。ハドロン実験施設では特に、ストレいません。これらのハドロンを実験に用いるためには、加速ンジクォークを含むハドロンの研究を行っています。

素粒子・原子核の標準理論

その先を知りたい
現在 J-PARC のハドロン実験施設には 3 本のビームラインが設置されており、様々な実験研究が行われπ中間子が作られ、これら中間子を利用して素粒子やています。大強度の陽子ビームからは K 中間子、原子核の世界を研究し、私たちの知の領域を拡げようとしています。

Interview

小松原 健
J-PARC 素粒子原子核ディビジョン 副ディビジョン長
中性 K 中間子稀崩壊実験 (KOTO=K0 at TOkai)

粒子の数を増やして世界で勝負います。

す。J-PARC の敷地内には直径 500m もの大きな1000 回やれば 10 回、10000 回やれば 100 回見る

見の粒子が関係しているのかもしれません。起円形加速器があって、その中で陽子をグルグルことができます。

こる割合にズレがあるかどうかはまだ分かり数百億回もやるとなると、データの取り方にませんが、私たちはあるだろうと思っています。

は工夫が必要です。全ての反応データを収集

̶̶ もし新粒子が見つかったら、またノーベル賞も有り得る ?

̶̶ ハドロン実験施設というのは何をす回して加速。30GeV(※) まで加速したところで私が行っている「中性K中間子の稀崩壊実験」るところですか？

加速器リングから取り出して、標的にぶつけまは、まさにそういうものです。中性 K 中間子 (※)

実はこれと同じようなことが、以前にもありすると処理が追いつかなくなってしまうので、標準理論と違うものを発見できたらそれはす。このときに生まれるのが、K 中間子などのが崩壊するとき、大体は 3 つの中性パイ中間子ました。1964 年、K 中間子の崩壊において、「CP「本物」らしい現象だけを上手に選択しなけれノーベル賞クラスだとは思いますが、時間はか粒子。これを複数のエリアに導いて、様々な実に変わったりするパターンなのですが、極めて対称性の破れ」と呼ばれる、粒子と反粒子 (※)

ばなりません。条件を厳しくし過ぎると本物かるでしょう。小林・益川理論にしても、理論験を同時に行っています。

まれに、中性パイ中間子とニュートリノ 2 つにの振る舞いの違いが見つかったときです。こを取りこぼす可能性があるし、逆に甘すぎるとを実験で確かめて、受賞までに30年以上かかっ※GeV= ギガ電子ボルト。エネルギーの単位で、変わるパターンがあると考えられています。の事象は、それまでの理論では全く説明できま処理がオーバーフローする。これをうまくやています。私たちの場合も、実験で新粒子を見これが大きいほど高速。

※電荷がゼロの K 中間子 (K0)。K 中間子には、電せんでした。

るのが腕の見せ所です。

つけたと言っても、それを確認するのにさらに荷がプラスの K+ とマイナスの K- など合計 4 種※素粒子に働く 4 種の力のうちのひとつ「弱い類がある。

力」がわずかに CP 対称性を破ることが発見さ̶̶ 苦労してやっと見つけても、1 回だけだとれた。

「たまたま」と言われませんか ?

目的は、素粒子と原子核について調べることです。
物質は全て原子からできています。でも原子がこの世界の最小構成単位ではなくて、原子はさらに、中心の原子核と周りの電子に分かれます。原子核の中には陽子と中性子があって、

̶̶ 加速器と言えば欧州の LHC が有名ですね。

それぞれ、クォークと呼ばれる素粒子 3 つで構成されています。そのほかクォーク 2 つでできている中間子というものもあります。

この割合は、数 100 億回〜数 1000 億回に 1 回。
エネルギー的には LHC の方が 3 桁も上ですが、J-PARC の加速器には、粒子の数がすごく多い

これまでの研究によって、素粒子や原子核のという特徴があります。エネルギーを高くす振る舞いについては、大体のことは分かってきるためには加速器を大きくする必要があって、ていますが、それでもまだ良く分かっていない

LHC は山手線のような巨大サイズになっていことがたくさんあります。それを実験によっます。日本でそんなものは作りにくいですが、て確かめようとしているのがこの施設です。

リングが小さくても、工夫すれば粒子の数は増やせるんです。

̶̶ どうやって実験をするんですか ?

気が遠くなるほどの低さです。私の実験では、この現象を見つけようとしているんです。

宝くじに当たるよりも難しい？

̶̶ そんなに滅多に起こらないことが、なぜ提唱された小林・益川理論です。そしてその後、意味のあるものにするのであれば、少なくとも研究者のイメージとはかけ離れているかもし重要なのですか ?

本当にこれらのクォークが発見され、標準理論10 回、将来的には 100 回くらいのデータが欲しれませんが、実験は結構ハードです。加速器のに繋がっていきました。

いところ。実験としては、長丁場になります。

実験が始まると、24 時間連続運転になるため、ノーベル賞を目指して̶̶ さらに粒子の数を増やすようなアップグには厳しいし、苦労も大きいけど、自分の作っレード計画は ?

た装置がうまく働くと、本当に嬉しい。この仕現在、素粒子や原子核の世界をうまく説明できる理論として「標準理論」というものが確立

̶̶ しかしそこまで起こる割合が低いと、見( 約 333 億分の 1) のはずです。でも、実際に実験つけるのは大変そうですね。

で割合を調べてみて、それより大きかったり小でしょうか。

さかったりしていたら、どうでしょうか。

私たちの実験に必要な粒子は、寿命が極めて短粒子が多ければ、それだけたくさんの反応を起こすことができます。すると、起こる割合がそのために必要なのが加速器という装置で8 時間交替のシフトを組んで臨みます。体力的る現象が起きる割合は 3×10 のマイナス 11 乗̶̶ 粒子が多いと、どんなメリットがあるのいるわけではありません。なので、実験の材料します。

1 つだけでは十分ではありません。統計学的に験であれば、ビンの中の試薬が使えます。でも、いということもあって、普段その辺に存在してまず確実に 1 つ見つけたいとは思いますが、象をうまく説明できるとしたのが、1973 年に生活の中には無いということです。化学の実を創るところから始めることになります。

いなかったのですが、もし 6 種類あればこの事でその結果です。
̶̶ 最後に、若い人へのメッセージをお願い

当時、クォークはまだ 3 種類しか見つかってしています。この理論によると、私が探していまず難しいのは、実験で使う " 材料 " が日常何年もかかるでしょう。ノーベル賞は、あくま̶̶ 標準理論が間違っている ?

事は、好きであればすごく楽しめる分野だと思加速器の強化や測定器の大型化も考えていいます。

ますが、まずは現在の加速器と測定器で 10 の体力的にきついこともあって、この分野は女性はい。少なくとも、数百億回以上の崩壊をマイナス 11 乗くらいまで調べて、見つかるかが少ないのですが、いつまでもそんな研究分野させる必要があります。まだ本格的にデータどうか調べたいです。まだ 1 回も見つかっていでいいのかと話はしていて、みんなで改善しよを取り始めてから 1 年くらいしか経っていまないのに、いきなり「100 回見つけます」と言っうとしています。このことに限りませんが、前のせんが、これには 3〜5 年くらいかかりそうでても、信用してもらえません。どうしても大き世代の方々が我々にしてくれたように、次の世低い現象でも見つけやすくなります。たとえば、

正しくは、標準理論にプラスアルファの何かす。ちなみに今までの実験結果から、割合がなお金がかかるので、段階を踏んで進める必要代のために研究の環境を整えるのが私の役目だ

100 回 に 1 回 し か 起 き な い よ う な 現 象 で も、がある、ということです。もしかしたら、未発10 のマイナス 8 乗より小さいことは分かってがあります。と思っています。ぜひ一緒に仕事をしましょう。

未知の領域を知りたいInterview 2. 山本 剛史
ハイパー核の研究は、宇宙の ある天体にも 密 接 に 関 わって い ると いう。ハ イパー核の研究はこの先どう進んでいくのハドロン実験施設では、様々な実験が行か。将来の展望について、 J-PARC 素粒

われている。そのうちの 1 つ、
「 ハイパー子 原 子 核 ディビジョン ハドロンセクショ核ガンマ線分光実験」（ E 13 実験）では、昨年、世界初の大きな発見があったという。どんな実験だったのか、研究メンバー
で あ り 東 北 大 学 博 士 研 究 員（イ ン タビュー時／現在は J-PARCセンター素粒子原子核ディビジョン ハドロンセクション）の山本剛史氏に話を聞いた。

̶̶まず実験のタイトルにある「ハイパー核」

ンの高橋俊行氏に話を聞いた。

予想外のことが起きて欲しい

Interview 3.

高橋 俊行

解することです。そのためのツールがハイパー違いがある理由については現在議論中で、まだ̶̶ハイパー核について、これからどんな実験

またダブルハイパー核を作る方法は、ラムダ粒

ただその理論では、太陽の 2 倍も質量があったを行う予定ですか ?

子を 2 個入れるだけではありません。s クォー

場合、潰れてブラックホールになってしまうはクを 2 個含むグザイマイナス粒子を 1 個入れるずなのですが、最近、宇宙で 2 倍質量の中性子核。u クォークと d クォークのほかに、s クォー結論は出ていません。今回はヘリウムを使いクも入れることで、別の角度から核力を調べらましたが、今後、もっと大きな原子核で同様の私たちの身近に存在する原子の原子核は、すべれるようになるんです。ただ s クォークの寿命実験を行おうと考えています。大きな原子核

J-PARC ではこれまで、ストレンジ (s) クォーク方法もあります。このハイパー核はなかなか星が見つかりました。これは理論とは合わなて陽子と中性子からできています。たとえばは、10 の マ イ ナ ス 10 乗 秒 程 度 と 極 め て 短 い。になると、陽子 / 中性子とラムダ粒子の間の距が 1 個だけ入ったハイパー核が対象になって観測できなかったのですが、以前筑波の実験でいので、もしかしたら超高密度のところではラヘリウムの原子核は、陽子と中性子が 2 個ずつすぐに崩壊してしまうため、実験が難しくなっ離が離れるので、距離によって核力がどう変わいましたが、加速器や検出器の整備が進んでき使った写真乾板を新手法で再解析したところ、ムダ粒子やグザイマイナス粒子の間に強い斥といった感じですね。ハイパー核と対比するています。

るか調べられます。それにより、この謎を突きて、ようやく、これが 2 個になったダブルハイ

窒素の原子核にグザイマイナス粒子が束縛さ力が働くのかもしれません。これを議論する詰めて行きたいですね。

パー核について実験できるようになってきまれた状態が見つかりました。

ためにはもっと実験が必要です。

̶̶グザイマイナス粒子とはどんな粒子です̶̶宇宙まで関わってくるとは面白い研究でか?

すね。

世界的にもほとんどなくて、ヘリウム原子核に陽子や中性子よりも重く、マイナスの電荷をはい。1 つの実験で全ての謎が解ける学問ではとは何か教えてください。

意味で、これは通常核と呼ばれます。でもハイパー核には、陽子と中性子以外に別の粒子が混̶̶どんな実験を行ったんですか ?

混じる粒子としては、たとえばラムダ粒子があした。今まさに始まったばかりで、5 月末から̶̶山本さんはまだ若いですが、いつからこのじっているんですよ。
私たちの実験では、液化したヘリウムに K 中間検出器を立ち上げているところです。

実験に関わっているのですか ?

ります。この粒子は、陽子や中性子と同じく子をぶつけて、原子核の中性子を 1 つラムダ粒

ク ォ ー ク 3 個 で 構 成 さ れ ま す が、ア ッ プ (u)子に入れ替えたヘリウム 4 ラムダというハイクォークとダウン (d) クォークだけの組み合わパー核を作りました。ここから放出されるガは昨年ですが、プロジェクトとしては 10 年くラムダ粒子が 2 個入ったヘリウム 6 ダブルラム持った粒子です。ちょっとややこしいですが、ないので、今後も、対象を変え、切り口を変えて、せである陽子や中性子と違い、ストレンジ (s)ンマ線のエネルギーを調べることで、中性子・らい前から始まっていて、私が研究者としてのダが唯一確実と言われています。歴史的に、ハこれが窒素の原子核に入っているため、原子核様々な実験を行っていきます。現実的に今でクォークを含んでいます。s クォークが入った陽子とラムダ粒子との間の相互作用を精密にスタートを切ったのはちょうどその頃でした。

イパー核は日本の得意分野になっていて、独壇の電荷は 1 つ減って、化学的には炭素と同じにきるのは s クォークが 2 個までですが、将来的原子核がハイパー核ということになります。

測定することができました。

それからずっと準備してきたので、実験が非常場とも言えるんですが、このダブルハイパー核なっているはずです。ただし寿命が極めて短には 3 個 4 個とさらに増やしていきたいですね。に待ち遠しく、昨年はついに念願が叶って本当も、J-PARC の前身である筑波の加速器で確認いので、原子の化学的性質を調べる間もなく崩それによって、核力の起源や性質の理解に繋がに嬉しかったです。

できた成果なんです。

壊してしまうのですが。

るでしょう。のハイパー核である水素 4 ラムダについては、̶̶研究者になったきっかけは何かあります̶̶ラムダ粒子が 2 個になると、何が分かるの

̶̶s クォークが安定して存在することはない

原子核の分野では、まだまだ予想通りにならな陽子と中性子がバラバラにならず、原子核とし以前行われた実験の結果があるのですが、それか?

でしょうか。のでしょうか。

いことの方が多いですが、だからこそ面白い。てまとまっていられるのは、粒子が核力 ( 強いとの間に明確な違いが見られたのです。従来、力 ) によって束縛されているからです。この核陽子と中性子は核力としては同じと考えられ大学の講義で、原子核にはいまだに分からないラムダ粒子が 1 個だけだと、ラムダ粒子同士に太陽よりもっと大きな恒星が超新星爆発を起聞いたときには、本当にワクワクしました。や

力は、ありふれた存在の陽子と中性子の間の相ていて、私たちも変わらないだろうと思っていことが多いと知ったのが大きかったですね。

働く核力は分かりませんね。2 個になって初めこしたときにできる中性子星は、宇宙で最も高ればやるほど謎が増えていく感じではありま互作用についてはかなり正確に分かっている

た た め、こ ん な に 大 き な 差 が あ っ た こ と に

そんなに分からないものなら、その道に進んでて調べることができます。実験で確認するまで、密度な物質です。従来、中性子星は中性子だけすが、これからもたくさん予想外のことが起きのですが、クォークの種類を変えた粒子だとどショックを受けました。

未知の領域を楽しみたいなと。私たちの研究は、引力なのか斥力なのかすらも分かっていませの集まりだと考えられていましたが、最新の理て欲しいですね。

自分達で検出器を作って、自分達で実験するスんでしたが、これにより引力であることが確認

論 で は、中 心 部 の 超 高 密 度 な と こ ろ に は、s̶̶従来の常識を覆す発見ですね。でもどうタイルです。それが肌に合っていたというのできました。

クォークが現れてくると言われています。こしてなんでしょう。もありますね。

̶̶ハイパー核を使って、何が分かるのでしょこの結果、面白いことが分かりました。ヘリウうか。

ム 4 ラムダの陽子と中性子を入れ替えただけうなるのか、あまり分かっていませんでした。
私たちの研究の目的は、この核力をより深く理

実はダブルハイパー核を実験で確認した例は大学 4 年生からです。実験そのものを行ったの山本さんが紹介した E13 実験の結果を初めてこには、安定して存在しているはずです。

2016 No.04
表紙／強い力で結びついた K 中間子のイメージ CG
裏表紙／ハドロン実験施設の実験で用いられている測定装置

季刊誌 J-PARC No.4 2016 年 10 月発行（年 4 回発行） 発行／ J-PARC センター 〒319-1195 茨城県那珂郡東海村大字白方 2-4 http://j-parc.jp
編集／ J-PARC センター広報セクション 企画・編集／森田 大介（Mac.H Graphicarts）
・大塚実

CG 制作／宮崎 剛（デジタルスタジオジャパン） デザイン／吉田達也・甘利瑞絵（Mac.H Graphicarts）