K中間子と陽子2つからなる“奇妙な”原子核

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  • 岩崎 雅彦
    理化学研究所開拓研究本部・仁科加速器科学研究センター
  • 佐久間 史典
    理化学研究所開拓研究本部・仁科加速器科学研究センター
  • 山我 拓巳
    理化学研究所開拓研究本部

書誌事項

タイトル別名
  • A Novel Form of Nuclear Bound System:“<i>K</i><sup> -</sup><i>pp</i>”
  • 最近の研究から K中間子と陽子2つからなる"奇妙な"原子核
  • サイキン ノ ケンキュウ カラ K チュウカンシ ト ヨウシ 2ツ カラ ナル"キミョウ ナ"ゲンシカク

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抄録

<p>密度は物質が占める体積でその質量を割ったものである．この意味で，原子核は我々が知る安定で最大密度を誇る『物質』であり，その値は金などの一般的な意味での高密度物質と比較しても13桁も高い．</p><p>この原子核は，陽子と中性子から構成される．さらに，核中の陽子，中性子（総称して核子と呼ばれる）はクォークで構成される複合粒子（ハドロン）である．</p><p>原子核の構造がこのように2段階で説明される理由は，原子核が単なるクォーク集合体ではなく，内部に階層構造を持つからである．全てのクォークはそれぞれ3つの異なる『色電荷』を持っていて，3つの違う色電荷のクォークの組みあわせ（無色）だけが核子を作る．これが，量子色力学（QCD）の『クォーク閉じ込め機構』である．原子核は，この無色の核子が集まって構成される．原子核中の核子間距離に比べて核子内の閉じ込めの（色電荷を持つクォークが自由に振る舞える）空間サイズは小さく，核子は原子核内でも粒子として振る舞う．</p><p>しかし，この核子の粒子性は実はそれほど強固なものではない．充分に原子核密度を上げられれば，核子間距離が閉じ込めサイズを下回ることで核子は粒子性を失い，核物質はクォークが閉じ込めから解放された，全く新しい『クォーク物質相（カラー超伝導相）』に相転移すると考えられている．</p><p>さて，クォーク複合粒子には，陽子や中性子などの3つのクォークでできた核子の仲間（バリオン）以外にも，クォークと反クォークで構成され，反クォークの反色電荷とクォークの色電荷とで無色となる中間子がある．では，中間子を粒子としての個別性を保ったまま，原子核中に埋め込めるだろうか?　中間子はボゾンであり核子はフェルミオンなので，その間にはパウリ原理が働かない．従って，そのような状態があれば中間子が空間的に核子と重なり，反クォーク・クォークの入り混じる「奇妙な量子状態」が発現する．中間子を粒子として核内に内包したこのような状態は，「カラーによるクォーク閉じ込め機構」や「クォーク物質の相転移」を研究する絶好の舞台となろう．そこでは，核媒質中という極めて高い密度環境下でのクォーク複合粒子である中間子や核子の粒子としての性質，その物質密度依存性などを直接調べられるだろう．</p><p>我々はその手始めに，K中間子ビームをヘリウム3原子核に照射することで，K中間子を内包する原子核として最も単純なK-と二個の陽子pが束縛した“K-pp”状態を作りだした．その全束縛エネルギーは約50 MeVにも達し，通常原子核の約10倍近く強く結合する束縛状態であることが分かった．一方でK中間子自体の質量（エネルギー）と比較すると束縛エネルギーは高々約10%に留まるので，依然としてこの系はカラーで閉じ込められたクォーク複合粒子であるK-，p，pの3つの粒子が束縛した状態と考えるのが自然である．また，生成断面積の運動量移行依存性から，生成された状態の空間サイズは非常に小さい（～0.5 fm）可能性が示された．</p><p>今後その基本性質を解明し，量子色力学が綾なすクォーク複合粒子（ハドロン）の物質階層構造・粒子性の謎に迫りたい．</p>

収録刊行物

  • 日本物理学会誌

    日本物理学会誌 75 (1), 10-15, 2020-01-05

    一般社団法人 日本物理学会

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