ストレンジネス核物理グループ(原子核物理研究室)

ストレンジネス教授 田村 裕和、三輪 浩司、中村 哲 (委嘱 東大)
准教授 市川裕大、鵜養 美冬 (兼 KEK)、小池 武志 (兼 川内)助教
金田 雅司、早川 修平
大学院生 博士課程 9名
修士課程 9名
学部4年生 4名
L

X 中性子星
Lp n?

陽子数
中性子数1

原子核物理のビジョン

ビッグバン
物質優勢宇宙誕生の謎
クォーク

クォークが宇宙の進化の過程で、どのようにして宇宙の多様な物質世界を作り上げたか？
• 各階層での基本的な自由度となるクォークやバリオン間に働く強い力を基盤として、ハドロン、原子核、中性子星までの統一的な理解を目指す

標準理論を超える新物理の探索

ハドロンハドロンの質量獲得機構の解明• 多様なビームをプローブとした系統的な原子核研究
原子核• 精密核物理による核物質研究

陽子クォークx3• 中性子過剰核• ハドロン、ストレンジクォークを含むハイパー核研究 など
ü クォークから如何にバリオン階層を構築したか？
ü 核力をクォーククラスター間の力として解明する
ü 中性子星の内部構造を解明を目指す

ストレンジクォークを含んだ粒子の核力の性質の解明

中性子星?

ストレンジ物質？

pXn

L

宇宙における物質の生成と進化のメカニズム
ビッグバン

ガス星雲

2H

p

4He

超新星爆発

恒星

Fe

C

中性子星

Au, UXn

クォークの誕生
ハドロンの質量獲得
機構の謎

L

原子核の合成ハドロン（核子）の誕生

元素合成の謎

核力の謎
なぜ原子核が形成できるのか？

ストレンジクォーク

高密度核物質の生成
中性子星内部の謎

様々な原子核はどこでどう作られた？
Au, U

3体核力

クォークの種類を変えると なぜ重い中性子星が核力はどう変わるか？
存在できるのか

ストレンジ物質？
L

中性子星内部にストレンジクォー
クがあるのか？
Lハイパー核

ハイペロン︓ ストレンジクォークを含んだ陽⼦・中性⼦の仲間
ボトム (𝑏)

ハイペロンを含んだ原⼦核の研究
クォークと核⼦(バリオン)の階層を繋いで物質の進化を理解するために、ストレンジクォークが重要な役割を果たす

pの軸

Tz

S-S0

操作

ハイペロン(奇妙な粒⼦)
ストレンジクォークを含んだ粒⼦

nS+Lえる陽⼦・中性⼦(核⼦)
アップ、ダウンクォークからなる

𝑢と𝑑を入れ替える操作の軸

4~5 GeV/c2

れ替~100 MeV/c2(450 MeV/c2)

X-X0𝑠を
入~8 MeV/c2(300 MeV/c2)

ストレンジ (s)170~180 GeV/c2

𝑢と

電荷 − #⁄" 𝑒 ダウン (𝑑)1.15~1.35 GeV/c2dと~2 MeV/c2(300 MeV/c2)

トップ (𝑡)替
れ入𝑠を

電荷 + !⁄" 𝑒

チャーム (𝑐)操るえアップ (𝑢)

軸の作

クォーク

ストレンジクォークの数拡張された核⼒
核⼒(核⼦間⼒)

短距離 (強い斥⼒)
中間距離 (強い引⼒)
w, r
2p, sクォーク︖

1 fm

ハイペロン核⼦間⼒
短距離

遠距離 (弱い引⼒)
p

核⼦間距離

2 fm

(クォークの描像に基づいた理論による予想)
中間距離w, r2p, s,*Kクォーク︖

遠距離K, hp交換が禁⽌される場合もある

p

引⼒がなく斥⼒
が強い
1 fm
斥⼒芯がない

2 fm

核⼦間距離

ストレンジクォークで果てしなく広がる物質の世界
Nu ~ Nd ~ Ns

ストレンジクォーク数

中性子星の中心部に存在？
ストレンジ物質(電気的に中性、質量数à∞の重力で束縛された原子核)

p, n, L, X0, X-数
陽子

高密度化

X-2L

1
pn0u, d, sクォークからなる原子核、物質の世界

LL, X ハイパー核
L, S ハイパー核
このうちの多くのハイパー核を東北大グループが発見、構造解明

数

中性子quarks

ストレンジネス核物理グループ“ハイパー核”
ストレンジクォーク=ストレンジ・クォークを含む原子核= の研究

中性子星にストレンジクォークは安定に存在するか？
p

ストレンジクォーク
u

クォークの種類を変えると核力はどう変わるのか？
→ 核力の正体がわかる

教授 田村 裕和、三輪 浩司
准教授 市川裕大
助教
金田 雅司、早川 修平
大学院生 博士課程 9名
修士課程 9名

ud

陽子

u

中性子

ssdd

ud

L 粒子

sLnd

X 粒子

nX

「ハイパー核＝ミニ中性子星」の研究からこの物質の性質がわかる
通常核

Lハイパー核Xハイパー核J-PARC（茨城県東海）

世界一の大強度陽子加速

中性⼦星

4桁のサイズの違い
原⼦核~10−14 m

原⼦と原⼦核のサイズ感と同じ(原⼦の重さのほとんどは原⼦核でできている)

原⼦(原⼦核＋電⼦)で出来た星

太陽~10-10 m

原⼦核だけで出来た星
重⼒で束縛された原⼦核中性⼦星

半径 696,340 km
質量 1.989 x 1030 kg

半径 約12 km
4桁も⼩さいのにほぼ同じ質量 質量 太陽の１~2倍程度の間に分布する

極限密度の物質層の理解に向けて原⼦核物理の知識を総動員して、中性⼦星物質の解明に向けた挑戦
⾼密度で出現しうるハイペロンを含んだ原⼦核udu du

陽子d中性子通常核

ストレンジクォーク
ssdusdL 粒子

Lハイパー核原⼦核衝突による2倍の核密度での物性
3体核力

X 粒子

Xハイパー核

ハイペロンと核子の力は？
LN, SN, ほとんど中性⼦
XN
ハイペロンどうしの力は？ ⾼密度では⾄る所で３体⼒、４体⼒の多粒⼦間⼒が働く
LL

ハイペロンを含んだ多粒⼦間⼒が⾮常に⼤きな斥⼒を作ると予想されている。
中性⼦星の「ハイペロンパズル」を解決できるか︖

中性⼦が過剰な原⼦核研究拠点・研究テーマ11

高エネルギー（~1 GeV)の中間子、電子・光子ビームでストレンジクォークを作る
中間子ビーム (田村、三輪、市川、鵜養、早川)J-PARC (30GeV大強度陽子加速器) (茨城県東海)

Lハイパー核 精密g線分光、
S陽子、L陽子散乱実験、
X原子X線分光、Xハイパー核・Lハイパー核分光研究、エキゾチックハドロン探索

Lハイパー核 精密生成分光

電子・光子ビーム (金田、中村)

Lハイパー核 精密p崩壊分光

L中性子相互作用世界一の高品質・電子加速器
実験室

東北大電子光センター
1.3 GeVシンクロトロン

マインツ大学(独)1.5 GeVマイクロトロン

Jefferson研究所(米バージニア)
12GeV超伝導連続電子加速器

J-PARCでの東北大グループの成果
ハイペロンまで含めた「⼀般化された核⼒」の性質と起源の解明
グザイハイパー核の質量測定に初めて成功
伊吹イベント

ラムダ粒⼦と核⼦との間に働く⼒の荷電対称性の破れを発⾒
今回明らかになった
荷電対称性の破れ

5 HeL

15 CX

X-10 BeL

グザイ粒⼦と核⼦との間に働く⼒が引⼒であることを確定

シグマ

寿命0.1ナノ秒陽⼦

半世紀ぶりに散乱⾓分布の測定精度を10倍向上

微分断⾯積(mb/sr)

ストレンジ核⼦と陽⼦の散乱実験⼿法を確⽴

シグマ粒⼦と陽⼦の弾性散乱の⾓度分布

散乱⾓度(q)の余弦 (cosq)

実験データ
J-PARC
過去の実験
理論計算
クォーク模型
中間⼦交換模型

12

J-PARCでのハイパー核研究の展開(既存施設＋拡張施設)
写真乾板によるグザイ
ハイパー核の発見

ダブルストレンジ原子核の構造研究

核物質中でのLN相互作用の解明

グザイハイパー核の発見から分光研究へ

最も重いラムダハイパー核の初の高分解能分光
これまでの測定
208 Pb (KEK-PS)
L

DE ~ 2.2 MeV

超高精度分光へgΛ

分光研究へ
エネルギー分解能 3MeV
(米国での先行研究の5倍)fΛ

エネルギー分解能 数100 keV(KEK-PSの5倍)dΛpΛsΛS=-2の原子核の系統的な測定(現在の2種à10種程度)

最も重いΛハイパー原子核(A=208)
での世界初の高精度分光

g線、X線測定によるハイペロン核子相互作用の研究

自由空間での2体のLN相互作用の決定

核内でのXN, LN相互作用の超精密測定
数keVの精度の測定へ

スピン偏極したLビームを用いたLp散乱実験
現実に即したLN相互作用の構築へhΛJ-PARCでのハイパー核研究の展開(既存施設＋拡張施設)
写真乾板によるグザイ
ハイパー核の発見

ダブルストレンジ原子核の構造研究

核物質中でのLN相互作用の解明

グザイハイパー核の発見から分光研究へ

最も重いラムダハイパー核の初の高分解能分光
これまでの測定
208 Pb (KEK-PS)
L

DE ~ 2.2 MeV

超高精度分光へgΛ

分光研究へ
エネルギー分解能 3MeV
(米国での先行研究の5倍)

現行の実験プロg線、X線測定によるハイペロン核子相互作用の研グラムに参加
究
S=-2の原子核の系統的な測定(現在の2種à10種程度)

核内でのXN, LN相互作用の超精密測定
数keVの精度の測定へ

fΛ

エネルギー分解能 数100 keV(KEK-PSの5倍)dΛ

将来の実験のための最も重いΛハイパー原子核(A=208)
検出器開発、での世界初の高精度分光
他施設での先行実験(Lp
自由空間での2体のLN相互作用の決定
スピン偏極したLビームを用いたLp散乱実験
散乱@SPring-8など)
pΛsΛ

現実に即したLN相互作用の構築へ

hΛ

15

電子・光子を使ったLハイパー核研究
実光子ビームを使った少数系Lシステム @ 東北大ELPH

n ホームグラウンドでの加速器施設
n Lの生成閾値付近での研究に最適なエネルギー

世界最高分解能でLハイパー核の研究 @ JLabn 高品質な1次電子ビーム
n 東北大で建設した高分解能磁気スペクトロメーター

磁気スペクトロメーターNKS2HES
散乱電子

HKS

K+中間子

ハイパー核スペクトロスコピー

エネルギ
(質量)

電子ビーム

次期の実験
重陽子中の陽子をΛに変換
à Lと中性子の相互作用を調べる

中性子過剰なLハイパー核：48LK, 40LK
核物質中でのL : 208LTl

各実験施設での中心は大学院生(+4年生)
大学院生が中心となった実験を作り上げる
自分達で掴み取った新しい物理データで、ハイパー核物理の新しい領域を切り拓く

新しい検出器の開発・テスト実験
新しいテクノロジーでこれまで出来なかった実験を！
主に修士課程のときに、新しい検出器の開発に携わります。

17

n 博士号取得者（24人）の進路(現在)18

KEK准教授x2、京都大准教授、KEK講師/東北大特任准教授、KEK助教 x 3名、東京大助教、大阪大助教、京都大助教、群馬大助教、理研研究員(パーマネント)、原子力機構(JAEA)研究員（パーマネント）x3、
中部大研究員、KEK博士研究員x1、米国エネルギー省、民間企業 x 6名
博士取得者の大部分が研究者として独り立ち

みなさんのこれからの研究をさまざまな場面でサポートしてくれますn 修士号取得者の就職先 (過去~10年）
日立、東芝、NEC、富士通、ルネサス、ソニーLSI、新日鉄住金エンジニアリング、日立東日本ソリューションズ、東芝電子管デバイス、三菱日立パワーシステム
ズ、ニューフレアテクノロジー、島津、タムロン、 ユーエスイー, VASILY、東光電
気工事、セコム、内田洋行、高校教諭、中学教諭 など

30人中20人(通常採択率20%)

n 博士後期学生(日本人)学術振興会特別研究員 宇宙創成国際大学院(GPPU)生も含めると、ほぼ全（GPPUはM2からサポート）n

大学院生・出身者の受賞

員経済的サポートを受けている

実験核物理で最も名誉な新人賞（全国で毎年2名）を 連続で3名受賞

日本物理学会若手奨励賞ｘ4名、原子核談話会新人賞ｘ5名、泉萩会奨励賞ｘ3名、アジア太平洋少数系物理会議若手賞、RHIC-AGS博士論文賞、測定器開発優秀修士論文賞ｘ4名、HUA修士論文賞ｘ5名、東北大学黒田チカ賞、東北大学総長賞、東北大学物理学専攻賞(多数)４年生に対する教育n 4年ゼミ 原子核(＋素粒子)物理 の英文教科書を輪講
原子核物理（ストレンジネス，短寿命）共通n ストレンジネスゼミ（院生対象）にも参加
n 実験学ゼミ 教科書輪講と実習
放射線検出器の作り方・使い方、 データ収集や解析（プログラミング）の方法
オープンキャンパス「目で見る素粒子・原子核」のための装置製作

n ４年研究（院試後）

東北大電子光やサイクロの加速器を用いる

新しい検出器の開発・特性の研究、ビームでの性能テスト実験
新実験のためのシミュレーション→ 最先端のストレンジネス実験で使用
J-PARC、電子光で 最先端実験にメンバーとして参加、データ解析も日本物理学会（３月末）で発表

19

20

いつでも研究室を見に来てください。
詳しく説明します。
興味のある方は、三輪、田村まで連絡ください
koji.miwa.c4@tohoku.ac.jp
tamura@lambda.phys.tohoku.ac.jp