3-4 “奇妙な粒子”が原子核の荷電対称性を破る

−ヘリウムΛハイパー核準位の精密測定に成功−

図3-9 (a)J-PARC-E13実験装置と(b)ハイパー核の生成反応

図3-9 (a)J-PARC-E13実験装置と(b)ハイパー核の生成反応

(a)γ線検出器(Hyperball-J),4He標的及び K -,π-識別用検出器(BAC1,BAC2,SAC1)から構成されます。
(b) K -4He→4ΛHe+π-+γ反応を模式的に示したものです。

 

図3-10 測定したγ線のエネルギー分布

図3-10 測定したγ線のエネルギー分布

γ線検出器によって測定されたγ線分布を示しています。4ΛHe生成反応候補のみを選択しました。

 

図3-11 4ΛHと4ΛHeの質量の比較

図3-11 4ΛH と4ΛHeの質量の比較

本実験で測定された4ΛHeの励起状態と基底状態の質量差は、1.406 MeV/c2ですが、鏡像核4ΛHの質量差は1.09 MeV/c2であり、両者の間には0.32 MeV/c2もの違いがあり、大きな荷電対称性の破れを示しました。

 


通常の原子核では陽子と中性子を入れ替えた二つの原子核(鏡像核)の質量はほぼ同じです。これを荷電対称性と呼びます。では、奇妙な粒子と呼ばれるΛ粒子が入った原子核(ハイパー核)ではどのようになるでしょうか。Λ粒子は、陽子や中性子と同様の重粒子ですが、軽いアップ,ダウンクォークのみから構成される陽子、中性子とは異なり、やや重いストレンジクォークが1個入っています。

過去に行われたハイパー核4ΛHeのγ線測定実験の結果では、鏡像核である4ΛHの基底状態と励起状態それぞれとの質量差がほとんどなく、荷電対称性が成り立つという結果でした。しかしこの実験は、分解能,信号・ノイズ比が悪く、さらに高精度の測定による検証が必要でした。

そこで私たちは、大強度陽子加速器施設J-PARCのハドロン実験施設における実験で世界最高強度の K -中間子2.3×1010個を4He標的に照射し、4ΛHeハイパー核を生成し、高分解能のγ線測定を行う実験を提案しました。この反応は、図3-9(b)のように、K -4He →4ΛHe+π- +γとなります。この実験のため、図3-9(a)のように106 Hz高強度ビームで動作するγ線検出器を開発し、機械式Ge結晶冷却装置,PWO(タングステン酸鉛結晶)シンチレーションカウンターによる高速バックグラウンド除去技術を開発しました。また、図3-9(a)の高運動量分解能 K - ,π- 検出器によりバックグラウンドを抑制しました。この結果、図3-10のようなγ線エネルギー分布が得られ、4ΛHeのγ線エネルギー分解能を20倍向上することに成功しました。

この実験で、私たちは図3-11のように励起状態と基底状態の質量差1.406 MeV/c2を測定しました。この高精度の実験データは、過去の実験結果(1.15 MeV/c2)を否定することとなりました。この結果、通常原子核では0.06 MeV/c2 程度であった質量差が、図3-11にある4ΛHとの比較により、ハイパー核では0.32 MeV/c2と非常に大きく異なっていることを発見しました。この大きな質量差、すなわち荷電対称性の破れからΛ粒子−中性子間とΛ粒子−陽子間に働く力がスピン状態(励起状態)によって大きく異なることが分かり、陽子,中性子,Λ粒子等の重粒子間に働く力(核力)の解明に重要なデータを提供しました。



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