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−

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⁴_ΛHeのγ線測定実験の結果では、鏡像核である⁴_ΛH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、⁴_ΛHe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 →⁴_ΛHe＋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、⁴_ΛHe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⁴_ΛH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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