在J-PARC强子实验设施中精密测量奇怪粒子和质子的散射现象 在弄清制造原子核的力量方面取得了巨大的进步

【发表的要点】 确立了通过直接散射包含应变夸克在内的被称为“奇怪粒子”(注1 )的Σ粒子和质子，来解释粒子之间作用的“扩展的核力量”(注1 )的方法 世界上首次成功地精密测量了寿命极短、只飞行数厘米的Σ粒子与质子的散射现象 通过将本成果确立的实验方法应用于不同种类的“奇怪粒子”和质子的散射实验，积累数据，扩展的核力量的阐明有望取得巨大进展

【概要】 在构成原子核的根源力质子和中子之间作用的核力，是与质子中子的构成要素夸克相关的非常复杂的力。 特别是质子·中子重叠的近距离产生大的排斥力的理由还不清楚，有人指出夸克起到了重要的作用。 因此，人们期待着通过调查含有应变夸克的超子和质子之间产生的作用力，从而明确夸克在核力量中的作用。 东北大学研究生院理学研究科三轮浩司副教授等人的研究小组在大强度质子加速器设施J-PARC的强子实验设施(注2 )中，大量生成了作为超子的Σ粒子，并成功地高精度地测量了Σ粒子和质子的散射角度分布(注3 )。 今后，通过积累夸克构成不同的各种各样的超子和质子之间的散射数据，可以期待明确扩展的核力量的性质。 本成果于2021年10月28日(美国时间)在Physics Review C上在线公布。

【研究背景】 质子和中子之间平均有引力力(核力)作用，将质子、中子结合构成原子核。 该核力在质子和中子比较远离时会成为引力，但在质子和中子重合的较近距离会变化为较大的排斥力。 多亏了这种引力和排斥力的平衡，原子核才能稳定地存在。 该核力的距离依赖性等相互作用的详细情况，通过用加速器加速的质子照射其他目标质子，调查其被散射的情况已经明确。 但是，那样的核力量的性质为什么会产生还不十分清楚，特别是为什么会在近距离形成很大的反弹力，还完全不清楚。 可以认为，在这样质子和中子重叠的近距离内，如图1所示，粒子内部存在的构成要素夸克起到了重要的作用。 因此，一般认为，通过调查含有不同种类夸克的粒子和质子之间产生的“扩展的核力量”，可以明确夸克在核力量中的作用。 因此，研究质子中子中所含的上夸克和下夸克之后含有轻应变夸克的所谓奇怪粒子(含应变夸克的粒子统称为奇怪粒子和超子)和质子之间作用的扩展核力变得很重要。 为了调查两个粒子之间产生的作用力，需要使对象两个粒子直接碰撞，测量其在哪个方向上容易散射(称为微分截面积)。 但是，由于超子的寿命非常短，只要飞行几厘米就会马上崩溃，所以迄今为止只测量了很少次数的散射现象。

图1 :包含质子、中子和应变夸克的奇怪粒子由三个夸克组成(左图)。 由于这三种夸克的构成不同，存在着各种各样的粒子。 这些粒子之间的相互作用非常复杂，因为内部包含的夸克有助于相互作用(右图)。 特别是在2个粒子重叠的近距离的相互作用中夸克的效果非常明显。 为了理解夸克在核力量和扩展核力量中所起的作用，改变夸克的种类来研究相互作用的变化是很重要的。

【研究的内容和成果】 由东北大学高能加速器研究机构( KEK )日本原子能研究开发机构( JAEA )京都大学大阪大学等组成的国际联合实验E40小组(实验负责人:东北大学三轮浩司、15个机构、71名)在超子之一的带负电荷的Σ粒子在液体氢靶中飞行时，表现得非常出色。 首次成功检测散射时敲击出的质子，高精度地测量了在哪个方向上有多容易散射的微分截面积(散射概率的角度依赖性)。 图2显示了此次实验中测量的微分截面积的结果(黑圈)和过去的测量结果(红圈)。 另外，与将质子和中子之间作用的核力量扩展到含有应变夸克的超子的理论计算的预想一起表示。 通过比较理论计算和数据，证实了Σ粒子如粗糙处理夸克的理论计算(图2的蓝虚线)所预期的那样，容易向前散射。 但是，我们发现实验数据和理论计算之间有很大的差距。 这次测定的实验数据将成为改良这些理论计算的指导方针，期待着对扩展后的核力量的理解今后有飞跃性的进展。 在实验中，用J-PARC强子实验设施提供的大强度π介子(注4 )的射线束照射液态氢靶，制作出了约为以往实验100倍的Σ粒子。 生成的Σ粒子大部分不会散射或反应，直接崩溃，因此生成大量Σ粒子是关键。 在以往的实验中，为了确定散射现象，使用了将反应可视化的检测器，但由于可视化所需的时间长，在此期间通过的多个光束会映入眼帘，因此为了确定散射现象，需要抑制光束强度。 在本研究中，通过被称为CATCH的实验装置(图3 )检测生成的Σ粒子与液态氢靶内的质子散射后，敲击出的质子和散射后Σ粒子崩溃释放出的粒子，从而可以确定散射现象。 该装置首次通过以优异的精度测量粒子的通过时间和通过位置，在使用J-PARC大强度派中间子束的实验环境下，也能够将相继发生的现象逐个分开进行有效测量，由科学研究费补助金东北大学的研究者开发制作。 这次的结果是在2019年2月至3月的J-PARC使用运转时间进行的实验中取得的成果。

图2 :测量的负电荷Σ粒子和质子的散射微分截面积。 4幅图将Σ粒子的动量大小分为4个范围，对应于测量微分截面积。 数据点上的棒表示测量的误差。 此次测量的结果(黑圈)与过去测量的结果(红线圈)相比，可以得到非常高的精度测量。 在过去的测量中，观测到的事件数量少，无法在运动量范围内分类，所以在所有运动量范围内，这里显示相同的测量数据。 与测量数据一起显示的是基于几个理论假设的微分截面积的预测。 特别是表现粒子中夸克效果的理论计算(蓝线)和数据在某种程度上是一致的。 可以认为，今后通过进一步收集这样高精度的数据，可以获得粒子间相互作用的全貌和相互作用的起源的相关信息。

图3 :主要探测器CATCH探测器的照片(左、中)。 如(左)所示，在检测器的内侧布满对放射线发光的闪烁光纤，测量反应中产生的粒子轨迹。 在其外侧配置对放射线发光的特殊结晶，测量粒子的动能。 根据这些信息，鉴定发生了什么样的反应。 照片(右)是在实验装置前拍的实验组成员的照片。

【今后的展望】 要弄清扩张后的核力量的全貌，重要的是调查不同的超子、质子、超子之间的作用力。 迄今为止，在J-PARC强子实验设施中，一直在调查把这样的超子放入原子核中的被称为超核(超原子核)的原子核的性质。 它是阐明超子和质子的散射实验、以及含有超子的原子核——超核的研究扩展的核力量的一大支柱，这次散射实验的成功将成为研究的一大进步。 这次报告了超子之一的带负电荷的Σ粒子和质子的散射的高精度测量的结果。 在E40实验中，还进行了负电荷的Σ粒子与质子反应，变化为另一种超子的λ粒子和中子的反应，以及正电荷的Σ粒子和质子的散射的测量，目前正在进行数据分析。 要理解基于夸克扩展的核力量，重要的是建立能够统一记述这些反应的理论框架。 已知该扩展的核力量取决于粒子间的自旋状态，因此今后准备进行控制超子自旋的散射、以及与Σ粒子不同种类的超子——λ粒子和质子的散射的测量。 包括本结果在内，通过改良理论，以再现今后积累的超子和质子的高精度散射数据，期待能够构筑“符合现实的扩张核力量理论”。 符合这个现实的扩张核力量理论，也成为解释超级核多样性性质的基础。 另外，也有人指出，在中子星(注5 )的内部，中子在重力的作用下被封闭在高密度状态，λ粒子和Σ粒子等超子有可能稳定存在。 由于这些现象本质上依赖于超子与中子之间产生的作用力，因此这次的结果和今后我们积累的散射数据对于理解中子星的结构也是极其重要的。 有人指出，在观测中发现的具有两倍太阳质量的重中子星中，超子通过产生我们完全不知道的力，使重中子星稳定存在。 期待这次我们取得成功的这个实验方法，也能解开中子星内部的未知力。

【用语说明】 (注1 )奇怪的粒子和扩展的核力量 作为基本粒子的夸克有6种，稳定存在的是质量最轻的世代的上夸克( u )和下夸克( d ) 2种。 如图1 (左)所示，质子和中子的上夸克和下夸克处于不同夸克结构束缚的状态。 也就是说，质子由两个上夸克和一个下夸克( uud )组成，中子由一个上夸克和两个下夸克( udd )组成。 根据这三个夸克的构成不同，存在很多粒子(统称为超子)。 其典型例子就是含有第三轻的应变夸克( s )的粒子。 因为夸克上有“奇怪”的名字，所以含有应变夸克的粒子(特别是重子)总称为奇怪的粒子和超子。 此次测量的带负电荷的Σ粒子(标记为σ)由( dds )组成。 带有正电荷的Σ粒子(标记为σ+ )是( uus )，λ粒子(标记为λ)由( uds )组成。 汤川秀树博士预言质子(统称核子)之间通过交换π介子来产生核力量，这就是核力量研究的开始。 现在，将这种核力量扩展到含有应变夸克的粒子和核子之间起作用的力上，考虑到含有应变夸克的介子的交换的描绘(扩展的介子交换模型)，以及夸克之间的相互作用，统一记述相互作用，“被扩展 这种扩展的核力量理论是研究以超子为原子核构成要素的超核和中子星等结构的基础，非常重要。 (注2 ) J-PARC强子实验设施 位于茨城县东海村的大强度质子加速器设施J-PARC使用世界最高强度质子束生成的多彩的2次粒子，进行了各种各样的基本粒子原子核物理的研究和物质科学·生命科学的研究。 在其中的强子实验设施中，以30千兆电子伏的质子束为金靶，制作出k介子和π介子等“强子束”，用它进行原子核和粒子的研究。 这次的Σ粒子可以说是以这个π介子的光束为基础产生的三次粒子的光束。 为了提高实验的精度，尽可能生成大量的Σ粒子变得重要。 因此，每脉冲能提供约107个(每5.2秒产生约2秒的束)世界最大强度的π介子束的强子实验设施可以说是进行本研究的最佳实验设施。 (注3 )散射的微分截面积 由于粒子之间有力的作用，会发生散射现象。 单纯考虑的话，这种散射的发生频率与粒子之间复盖的截面积相对应，因此称为散射截面积。 特别是，散射截面积因散射角度而异的情况称为散射的微分截面积。 实际上，散射的频率(截面积)和角度依赖性(微分截面积)因粒子之间作用的力而有很大差异。 通过实验测量微分截面积，可以调查粒子之间的作用力。 实际上，在核子之间起作用的核力量是通过用被加速器加速的质子和中子(中子是二次生成的)照射目标质子，详细测量散射的微分截面积来进行调查的。 虽然据说超子和质子之间也同样进行散射实验很重要，但由于超子很快就会崩溃的实验困难，迄今为止无法实现高精度的截面积测量。 (注4 )π介子夸克和作为其反粒子的反夸克对构成的粒子称为介子。 最轻的中间子是π介子，本研究中用作光束的负电荷π介子由顺夸克和反夸克构成。 (注5 )中子星 宇宙中有1057个中子被重力束缚的半径12km左右的小型天体，这被称为中子星。 被核力量束缚的原子核，核子数量最多也不过300个左右，但中子星可以说是数量惊人、多中子被重力束缚的巨大原子核。 质量较重的恒星在超新星爆炸结束之际，被重力压缩的星星芯将成为中子星并保留下来。 近年来的天体观测中，观测到了多个质量是太阳两倍的重中子星，据说中子星中心的密度会达到普通原子核的5倍以上。 预计在这样的高密度下，具有高能量的中子会变化为超子，但通过变化为超子，星星的压力会下降，因此，明确利用什么样的机制恢复星星的压力，支撑具有两倍太阳质量的中子星成为了一大课题。 有人指出，在高密度下，超子和多个中子之间作用的力对于制造支撑中子星的压力至关重要。 我们将通过对超核的研究，来阐明这种含有超子的多粒子之间产生的作用力。 通过散射实验了解超子和核子两粒子之间作用的力，是从超核研究中解释该多粒子之间作用的力的基础。

【国际研究小组】 本研究由东北大学、高能加速器研究机构( KEK )、日本原子能研究开发机构( JAEA )、京都大学、大阪大学(理学研究科、核物理研究中心)、理化学研究所(高能原子核研究室、介子科学研究室、放射线研究室)、千叶大学、冈山大学、韩国高丽大学、法国 这些机构为实现实验的检测器开发和实验的实施做出了贡献。 东北大学制作了CATCH检测器，KEK和JAEA主导了测量液态氢靶和超子生成的实验装置的维修运转。 数据分析以东北大学、JAEA、京都大学、大阪大学为中心共同进行。

【谢词】 本研究是在以下科学研究费补助金的资助下进行的。 青年研究( a )“通过Σ质子散射截面积测量弄清重子力的斥力芯的起源”( JSPS KAKENHI Grants No.23684011 ) 青年研究( a )“通过Σ质子散射的相位差导出来确定夸克-保利斥力芯的大小”( JSPS KAKENHI Grants No.15H05442 ) 基础研究( a )“基于超子质子散射实验的π介子相互作用研究的新进展” ”( JSPS Kake Nhi授权号18h 03693 ) 新学术领域“通过实验观测探明的中子星核物质”公开征集研究“用于J-PARC二次束高强度化的通用触发模块的开发”( JSPS KAKENHI Grants No.15H00838 ) 基础研究( a )“用超核伽马射线光谱解释的λn相互作用的电荷对称性”( JSPS KAKENHI Grants No.15H02079 ) 新学术领域“通过实验观测探明的中子星核物质”提案型研究“中子过剩核物质中的应变能”( JSPS KAKENHI Grants No.24105003 ) 新学术领域“用量子簇解读的物质的分层结构”提案型研究“用应变强子簇探索的物质的分层结构”( JSPS KAKENHI Grants No.18H05403 )

【論文情報】

 雑誌名:物理复习C 論文动量范围470至850 MeV/c内σ-p弹性散射微分截面的タイトル:Measurement 著者:K. Miwa等人(三輪浩司 東北大学大学院理学研究科) 数字对象标志符番号:10.1103/PhysRevC.104.045204 网址:https://link . APS . org/doi/10.1103/PhySrevc . 104.045204