物理科学への招待
2019. 5. 14

原子核物理学
素粒子から物質が作られる
謎に挑む

理学研究科物理学専攻
素粒子･核物理学講座(原子核物理研究室)

田村 裕和
Email: tamura@lambda.phys.tohoku.ac.jp
http://lambda.phys.tohoku.ac.jp

物理科学への招待
2019. 5. 14

原子核物理学
素粒子から物質が作られる
謎に挑む
内容
１．宇宙における物質の進化と４つの謎
２．元素合成の謎
３．中性子星物質の謎

1. 宇宙における物質の進化と４つの謎

素粒子反応の軌跡

宇宙の大規模構造（銀河団の分布）

原子と周期表（19世紀の物質観）
原子気体

液体

化学反応： CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
元素＝原子の種類 は、決して変化しない（19世紀の常識）－> 変化することもある（放射性物質、原子核反応）
ベクレル、キューリー夫妻 1998

現在の物質観クォークとレプトン（素粒子）からなるレプトン

電荷原子<< 0.000002

ニュートリノ

0.111.8電子
電子~ 10-10 m0.0005

原子核

安定な粒子
（寿命 ∞）

クォーク

0.003

1.3

172

0.005

0.1

5

重いほど不安定(寿命短い)~ 10-14 m

陽子
中性子
（核子）
u

10-15 mudd

クォークdu

質量大この世界の“物質”は、現在の物質観クォークとレプトン（素粒子）からなる陽子・中性子（＝up, down クォーク）と電子レプトンでできている（20世紀の常識）
電荷
原子<< 0.000002

ニュートリノ

0.111.8電子
電子~ 10-10 m0.0005

原子核

安定な粒子
（寿命 ∞）

クォーク

0.003

1.3

1720.005

0.1

5

重いほど不安定(寿命短い)~ 10-14 m

陽子
中性子
（核子）
u

10-15 m

udd

クォーク

du

質量大原子や原子核は本当にあるのか？
 “原子仮説” (ドルトン 1803)
化学反応を説明できる
気体の性質を説明できる

今では原子は直接見える

 電子の発見（トムソン 1897）
 原子核の発見（ラザフォード 1911)

13 x10-9 m (13 nm)
シリコン表面の原子像（走査型電子顕微鏡写真）

原子核をこわすと、陽子や中性子が出てくる

a線
ときどき原子核にぶつかって大きく跳ね返る

跳ね返り方を詳しく測定
すると、原子核の大きさや形が正確にわかる。

高速粒子による原子核の破壊の軌跡（写真乳剤乾板）

クォークは本当にあるのか？
クォークは、陽子・中性子の中に閉じ込められていて取り出せない。
ガラガラの中に何があるか, どうやって調べる？
 振って音から想像する＝陽子・中性子にエネルギーを与えた時の変化から、理論的に予想する
中に必ず何かがある（陽子は複合粒子である）3個の粒子があると理論的にうまくいく (1964)

 X線（透過力のある光）で撮影する＝高速の電子ビーム（波長の短い光）を当てる
中に点状の粒子があって動いている (1969~)

 ハンマーでぶっ壊す＝陽子・中性子（原子核）同士を高速度で衝突一瞬だけ“霧”のような流体が発生した (2002)

KEK HPより

星の一生

ビッグバン

観測からわかること

中性子星
ブラックホール
星間ガス
原始星

超新星残骸

超新星爆発

赤色超巨星

恒星
（主系列星）

光子
素粒子の （エネルギー）

生成

クォーク

1. クォーク生成の謎（物質が反物質より多い謎）

反クォーク

ビッグバン

クォークのガス(クォーク・グルーオン・プラズマ)
ハドロン(陽子・中性子)の生成 10-4 秒
ハドロン = 複数のクォークが集まってできた粒子

2. ハドロン生成の謎（クォーク閉じ込めと重い質量発生の謎）

He原子核の合成

3分

原子(H, He)の生成

3x105 年

星間ガス素粒子から原子・分子へ分子(H2)の生成
H2, Heの薄いガス

星間ガス星の進化と物質の進化

原始星

H, Heのプラズマ

高温高密度のH2 Heガス

H2, Heの薄いガス
重力で集積

恒星
（主系列星）

超新星爆発

核融合反応
開始赤色超巨星

HからHeが合成
108 ~109年

Feのプラズマ核融合反応の進展

C, O, ..., Fe
原子核の合成星間ガス星の進化と物質の進化

原始星

H, Heのプラズマ

高温高密度のH2 Heガス

H2, Heの薄いガス
重力で集積

恒星
（主系列星）

超新星爆発

HeH

赤色超巨星

Fe

Feのプラズマ

Mg, SiO, Ne, Mg
C, O
He
H

C,OHe
H

核融合反応
開始

HからHeが合成

核融合反応の進展

108 ~109年

C, O, ..., Fe
原子核の合成超新星爆発

赤色超巨星

超新星残骸

HFe
ニュートリノ
陽子
電子

中性子

ニュートリノp + e- → n + n(ベータ崩壊 n→ p + e- + n の逆反応）

重い原子核の合成 ?
Fe -> Pt, Au, U ?

１９８７A残骸

中性子星

かに星雲

藤原定家「明月記」 1054年爆発
かにパルサー
小柴さんがニュートリノ検出

超新星爆発時に一気に合成された重元素が宇宙空間にばらまかれた？ →次世代の星の材料に「星の誕生→超新星爆発」の世代を繰り返すたびに重元素が増える

物質進化の“輪廻”と最終形

星間ガス

中性子星
ストレンジ
クォーク物質生成？？

ストレンジ
核物質生成？

4. 中性子星物質の謎（ストレンジ物質は超新星残骸あるか？）

重元素を含むガス

3. 重元素合成の謎(宇宙のどこで合成されたか？）
超新星爆発
重い原子核の合成？

ブラックホール

7

原子核の大きさと密度
鉄原子核は、鉄原子の約1/10000の大きさ

原子原子核

パチンコ玉
東京ドーム
球場

(直径1cm)(直径130m)

電子はめちゃくちゃ軽いので、原子の質量は、ほぼ原子核の質量と同じ
物質 (固体）鉄の密度 ~8 g/cm3

もし原子核だけ集めたら密度は 10000x10000x10000 ~ 1x1012倍∴ 原子核密度 ~2x1014 g/cm3 (2億トン/cm3）

かに星雲（かに座超新星残骸）
藤原定家「明月記」 1054年爆発

中性子星 とは？
可視光でみるとX線でみるとNASA宇宙に浮かぶ巨大原子核NASA 質量： 太陽の1~2倍NASA 半径: 約10~15 km
川内

 “パルサー”
として観測される

仙台駅

密度： ~4億トン/cm3（中心部は10～30億トン/cm3）
原子核密度の10倍
東京ドーム2000杯分の土を角砂糖１個の大きさに圧縮クォーク多体系の相図
原子核物理学のビッグバン
最大の目標
温度 （初期宇宙）
宇宙における膨張による冷却物質の起源と星間物質ハドロン進化の解明へ“気体”
クォーク・グルーオン・プラズマ

バリオン

メソン（陽子･中性子）（中間子）

元素合成“液体（液滴）”中性子星

恒星
H, He→ Fe

重力圧縮

0

超新星爆発
原子核Fe→ U

超伝導状態

高密度核物質クォーク星?

重力圧縮

密度
クォーク物質２．元素合成の謎

理研RIビームファクトリー
超伝導リングサイクロトロン

史上最大のサイクロトロン加速器
8300トンの鉄と超伝導コイル

宇宙（太陽系）の元素存在比

Solar宇宙（太陽系）の元素存在比
質量数で表わすと星によっても違うことが分かってきた
ー元素合成過程の手がかり
似た形の2山が3組→ ２つの元素合成プロセス？

ここまではよく説明できる

Solar

陽子間のクーロン斥力のため質量数には上限あり

核図表と元素合成

Z=118が（現在の）限界

陽子の数 Z

Z=113 Nh
ニホニウム

超新星爆発時？に生成大量の中性子が一気に貼りついた？

陽子過剰核

Rapid process
赤色巨星内で生成 Slow process
ゆっくり中性子が貼りつく

中性子過剰核恒星内で生成ビッグバンで生成中性子の数 N

元素合成の謎
金やウラン（重元素）は宇宙でどう作られたのか？
陽子
他の原子核
原子核
原子核

中性子の海

陽子や他の原子核は、クローン力の反発のため原子核に近づけない

79Au

中性子はぺたぺた貼りつく

92U

中性子が多い原子核は、ベータ崩壊 （n→p＋e-＋n）で中性子nの一部が陽子pに変わる→ 原子番号が上がる

中性子がたくさんあれば、一気に重元素が作れるはずRapid-process92U

陽子の数r79Au

82

26Fe

恒星の中で合成

82
2 819201261265028288282

不安定核

2050
この道筋にあるすべての中性子過剰核の性質を調べる必要あり
理研RIBFでのみ可能

まだ誰も知らない中性子過剰核を経由して重元素が作られる

安定核
中性子の数

Rapid-process のシミュレーション動画
ミシガン州立大超伝導サイクロトロン研究所HP

RI ビームファクトリー（理研）
1000種の新核種を含む約4000種の不安定原子核(RI)を製造
世界最高強度のRIビームを供給

入射核破砕片入射核

標的核

超伝導リングサイクロトロン(SRC)
世界初、史上最強 8,300 tons
水素からウランを光速の70% (350 MeV/u) に加速

超伝導RIビーム収集分離装置 (BigRIPS)
世界最大口径、 全長 77 m
世界最高のRIビーム分解能達成

RIビームファクトリーの成果

理研HPよりこれまでに89種の新同位体を発見（その多くが中性子過剰核）110種の中性子過剰核の寿命を一気に測定(2015)一つ一つが別々の原子核に対応する

RIBFのデータから、重元素合成（r過程）の精密シミュレーションが可能に太陽系の元素存在比をほぼ再現
ただし、「中性子の海」は宇宙のどこにあるのか？

超新星爆発か？

中性子の量が足りない！

太陽系の元素存在比のうち未知部分 （r過程の分）元素合成過程の解明へ

20

理研HPより79Au
92U

一般相対論と原子核データを用いた中性子星連星の合体シミュレーション

重元素の起源は中性子星合体かも？

超新星爆発では、重元素を作るための中性子の量が足りない中性子星合体だと説明できそう
京大HPより和南城（京大）ほか 2014

質量数

世紀の大発見：重力波
重力波の初観測 (LIGO)→ 即, ノーベル賞
2015.9.14

LIGO(Livingstone)

Simulation（想像図）

世紀の大発見：
中性子星合体2017.8.17

中性子星連星の合体の重力波を観測、およその場所を同定→同時にガンマ線バーストも出ていた！
→光学望遠鏡でも同定、可視光・赤外線のスペクトルの時間変化を測定重力波の信号

Binary Black Hole

S/N= 18.3
S/N= 32.4

重力波発信源を光学望遠鏡で同定
Blue->red

NGC4993中性子星合体で重い元素が作られていた証拠

波長長い波長の長い光がゆっくり減衰

重元素(ランタノイド）生成時の光の減衰と一致→ 中性子星合体で重元素が合成されていた！

３. 中性子星物質の謎

世界最高強度の陽子加速器

大強度陽子加速器 J-PARC
茨城県東海「中性子星」は中性子だけでできている？

地上実験、天体観測、理論を総合的に駆使して調べよう！

皮と中身が違うかも？

変なものがはいっているかも？

[地殻]中性子星内部の未知物質（予想）内核には、3番目のクォーク（ストレンジ・クォーク）が安定に存在するらしい。

原子核と中性子物質がさまざまな形で混在

npn

[外核]

中性子物質
LXsd

パスタ原子核

ほとんど中性子だけでできた物質
超流動状態かsusu[内核] ストレンジ核物質NASA?

3種のクォーク (u,d,s) からなる粒子（陽子、中性子、ラムダ、グザイなど）が高密度に集まった物質[中心部]

ストレンジ・クォーク物質
3種のクォークがばらばらになった物質
超伝導状態

??

人類が知らなかった（太陽系に存在しない）まったく新しい姿の物質たち

[地殻]中性子星内部の未知物質（予想）内核には、3番目のクォーク（ストレンジ・クォーク）が安定に存在するらしい。

原子核と中性子物質がさまざまな形で混在

npn
Ls

パスタ原子核中性子物質
ほとんど中性子だけで「中性子過剰核」
できた物質
から調べる
超流動状態かXs「ハイパー核」
duusから調べる[内核] ストレンジ核物質

[外核]

NASA

?

3種のクォーク (u,d,s) からなる粒子（陽子、中性子、ラムダ、グザイなど）が高密度に集まった物質[中心部]

ストレンジ・クォーク物質

3種のクォークがばらばらになった物質
加速器を使った地上実験でこれらの正体に迫る 超伝導状態??

人類が知らなかった（太陽系に存在しない）まったく新しい姿の物質たち陽子・中性子の仲間（バリオン）

ストレンジ・クォークとハイパー核

陽子

中性子

安定

比較的長い寿命 (～10-10s)、かなり容易に作れるuud
陽子

通常核sdd中性子

uuL

Lハイパー核d「奇妙な粒子」2割くらい重いので、陽子・中性子からこれらに変化できない

L

LLハイパー核S

X

Sハイパー核Xハイパー核陽子・中性子の仲間（バリオン）

ストレンジ・クォークとハイパー核

陽子

中性子

安定

比較的長い寿命 (～10-10s)、かなり容易に作れるuud
陽子

通常核sdd中性子

uuL

Lハイパー核d「奇妙な粒子」2割くらい重いので、陽子・中性子からこれらに変化できない

L

LLハイパー核S

X

Sハイパー核Xハイパー核ハイパー核で中性子星を調べる
われわれのデータ (2001年, KEK)
8939 L 49

Y

L粒子はパウリ排他律をうけない→陽子・中性子のつまった軌道にも入って回れる
ハイパー核質量（励起エネルギー） (MeV)

核内で陽子・中性子は互いの引力を感じてそれぞれ軌道を回る。
L粒子も陽子・中性子から引力を受けると回るハイパー核で中性子星を調べる
われわれのデータ (2001年, KEK)
89
39 L 49

Y

L粒子は中性子より質量が2割も重い
通常の世界では： 中性子→ L粒子×
中性子星内部では： 中性子→ L粒子〇

中性子星
中性子
光速の~1/2
L粒子はパウリ排他律をうけない→陽子・中性子のつまった軌道にも入って回れる
ハイパー核質量（励起エネルギー） (MeV)

L粒子
中心部に入って運動を止める

中性子は、回転の運動エネルギー E を質量に変えることでE = Mc2 の質量M だけ重くなれる：
中性子 -> L粒子

変化の度合いはL粒子・中性子の間の引力の強さによる核内で陽子・中性子は互いの引力を感じてそれぞれ軌道を回る。
→ 詳しい研究が必要
L粒子も陽子・中性子から引力を受けると回るストレンジ核物質

3次元核図表

pn
LX
ハイパー核

u, d, s quarkの世界

ss

ストレンジ
クォーク数dX粒子
s

LL, X ハイパー核

duLL核3種、X核1種（すべて日本で ）L粒子

Z

2L, S ハイパー核L核 39種（日本で 23）S核 1種（日本で 1）

uu

d1

陽子du

d

中性子 通常核

0

安定核

不安定核

u, d quarkの世界N

ストレンジ核物質

3次元核図表

pn
LX
ハイパー核

u, d, s quarkの世界

ss

ストレンジ
クォーク数dX粒子
s

LL, X ハイパー核

duLL核3種、X核1種（すべて日本で ）L粒子

Z2L, S ハイパー核L核 39種（日本で 23）S核 1種（日本で 1）

uu

d1

陽子du

d

中性子 通常核0

安定核不安定核u, d quarkの世界

N大強度陽子加速器施設:J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex) 茨城県東海400 MeV
線形加速器 (350m)

物質・生命科学実験施設

50 GeV
シンクロトロン

3 GeV
シンクロトロン

原子核素粒子実験施設（ハドロン・ホール）

ニュートリノ実験施設

60m x 56m

世界最大のビーム強度（陽子数）従来の加速器の 10~100倍

東北大を中心に中性子星内部の物質を調べる実験が進行中

ハイパー核研究の世界の中心に

実験例：Lハイパー核のガンマ線測定
ガンマ線

新型ガンマ線検出器

33

最近のわれわれの成果「荷電対称性」の大きな破れを発見

Λ粒子を加えると、原子核での陽子と中性子の対称性が大きく壊れる → 理由はいまだに謎この世界の物質は、陽子・中性子（＝up,down クォーク）と電子
現在の物質観 クォークとレプトン（素粒子）からなるでできている（20世紀の常識）
レプトン

電荷原子

物質は、up, down, strange クォークと電子ででできている<< 0.000002 ニュートリノ (?)
原子を単位としない物質（電子がない物質）もある(?)（21世紀の常識へ）
電子
電子~ 10-10 m
0.0005原子核

1.80.11安定な粒子（寿命 ∞）

クォーク

0.003

1.3

172

0.005

0.1

5

重いほど不安定(寿命短い)~ 10-14 m

陽子
中性子（核子）u

10-15 mu

dd

クォークdu質量大まとめ
 宇宙における物質の進化
クォーク・グルーオン・プラズマ
ハドロン（陽子・中性子）
原子核（H, He→Fe→U?）
ストレンジ核物質(クォーク物質)?

21世紀の物質観研究が進行中 重元素合成過程の解明＝中性子過剰核の研究(RIBF)

 中性子星物質の解明＝ハイパー核の研究(J-PARC)
どちらの研究も日本が世界を圧倒的にリード天文観測（重力波など）とも協力して解明へレポート問題（原子核物理）(1) 最先端の核物理研究である
 中性子過剰核と元素合成過程の研究
 ハイパー核（ストレンジネス核物理）の研究のいずれかについて調べ、研究目的、加速器施設、実験方法、研究例などについて、A4レポート用紙2ページ程度でまとめてください。
参考文献を複数使用し、出典(URL)を明記する。文献の文章を写してはいけない。
自分のことばで書くこと。
文献や他人のレポートの文章を写した文章があった場合は、採点しない。
ただし参考文献の図は、出典を記載のうえコピー使用可。

(2) 今日の講義の感想、面白かったところ、わからなかったところ、などを簡単に書いてください。（10行以内）
レポートは、レポートボックスに 7月16日～8月2日（金）15:00(締切厳守) に提出
今日の資料は、以下にカラーで置いておくので参考にしてください。
http://lambda.phys.tohoku.ac.jp/~tamura/shotai2019.pdf

おすすめの本●編集委員
伊藤好孝（名古屋大学）
田村裕和（東北大学）
第1章 宇宙と物質の起源をさかのぼる……杉山 直（名古屋大学）
第2章 質量の起源を知る -- ヒッグス粒子発見のインパクト……徳宿克夫（高エネルギー加速器研究機構）
第3章 反物質はどこへ -- 素粒子実験が挑む物質優勢宇宙の謎……市川温子（京都大学）
第4章 クォークの熱いスープから原子核へ -- 4 兆度の初期宇宙の再現……平野哲文（上智大学）
第5章 元素合成の謎超新星爆発がウランをうみだしたのか?
……櫻井博儀（東京大学・理化学研究所）
第6章 分子の誕生と星間物質……坂井南美（東京大学）
第7章 太陽系の起源……小久保英一郎（国立天文台）
第8章 宇宙の生体物質 -- 生命の起源を求めて……大石雅寿（国立天文台）
第9章 中性子星の奇妙な物質……田村裕和（東北大学）
第10章 ダークマターの正体をあばく……伊藤好孝（名古屋大学）