抓住了夸克间的“核心”─有助于理解物质可以稳定存在的理由─

2022年9月2日各位新闻机构

国立大学法人东北大学研究生院理学研究科国立大学法人京都大学研究生院理学研究科大学共同利用机关法人高能加速器研究机构国立研究开发法人日本原子能研究开发机构J-PARC中心

抓住了夸克间的“核心”─有助于理解物质可以稳定存在的理由─

【发表要点】

质子中子由3个被称为夸克的基本粒子聚集在一起形成。 根据量子力学的基本原理泡利的不相容原理，同态的夸克不可能存在于同一个地方。 这被认为是质子-中子间作用的核力量短距离出现斥力的原因之一，但尚未得到实验验证。研究表明，通过使l质子内夸克种类发生变化的新奇粒子和质子散射，形成夸克-泡利原理禁止的状态，粒子间的作用力会变化为极强的斥力。 这相当于验证了泡利原理斥力的起源，实测了其芯的硬度。

核能在汤川秀树博士的介子论的研究中取得了进展，但是如果只是引力的话原子核会被压溃，物质就无法存在。 通过这次逼近核心本质的成果，可以期待理解物质能够稳定存在的理由。 我们期待进一步阐明含有新夸克的扩张后的核力量(注1 )。

【概要】构成原子核的源的力即核力，在质子和中子比较远的时候是引力，但在质子和中子重合的较近距离时会变成较大的斥力(斥力(注2 ) )。 由于这种堪称神秘的引力和斥力的平衡，原子核不会因自身的引力而破碎，可以稳定存在。 但是，理解产生这种斥力的机制是多年的挑战。

在这样的短距离内，由于囚禁在质子中子中的物质的最小单位夸克对具有泡利的不相容原理(注3 )，因此可以预测在相同量子态的夸克之间会产生强斥力，这被认为是核力短距离内强斥力的一个原因。 但是，这个夸克根据泡利原理的斥力强度到现在为止完全不清楚。 在含有奇异夸克的粒子∑+和质子的散射中，通过使2个粒子内上夸克的自旋方向一致，形成泡利原理的禁止状态，可以调查该夸克基于泡利原理的斥力。这次东北大学研究生院理学研究科的三轮浩司副教授(高能加速器研究机构特别副教授)等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4 )中，对这个∑+和质子散射的微分截面积(注5 )进行了高精度的测量。 微分截面积是表示粒子在什么角度容易散射的量，它敏感地反映了作用在粒子之间的力。 通过分析得到的微分截面积得知，散射的2个粒子重叠3成左右时，核力量还是引力，而∑+质子间的力已经成为核力量的2倍左右的强斥力。 可以认为，由于决定了至今为止未知的夸克间的泡利斥力的强度，对核力量的短距离斥力的理解将会更加深入。 本成果入选基础物理学术论文杂志progress of theoretical and experimental physics的关注论文( editors’choice )，将于2022年9月4日16点(英国时间)在线公开。

【详细说明】

研究背景关于作用于质子、中子等原子核之间的核力量，以汤川秀树博士为首的很多研究者进行了研究。 如图1所示，在两个核子不重叠的距离(图1的1〜2fm左右)处，汤川博士预见到存在的π介子(注6 )和其他介子所具有的引力发生了作用。 我们知道，如果再接近2个核子重叠的程度(图1的1fm以下)，核力量就会变成排斥力(斥力)，而且2个核子的重叠越多，斥力就会急剧变强。但是，“为什么核力量会产生如此强大的斥力核心”，其起源还是个大谜团。 质子和中子如图2所示，是内部含有基本粒子夸克的复合粒子。 被限制在粒子内部的夸克可能暴露在该斥力中。 夸克产生的“强力”也会在改变了图2所示夸克构成要素的各种各样的重子(注1 )之间产生。 有趣的是，理论上可以预测，通过改变重子内的夸克种类，这个短距离内的力的行为会有很大的变化。

©三輪浩司

图1 :作为作用于重子之间的力，比较了核力和∑+质子之间的力。 引力、斥力的强度用颜色表示。 在核力方面，在远处为引力的物质，在1 fm(f=毫微微为1000万亿)以下的近距离内变化为强斥力。 另一方面，可以预想，∑+质子间力几乎没有引力，斥力与核力相比非常强。

©三輪浩司

图2 :由3个夸克构成的重子按照夸克的种类进行了分类。 质子中子由向上、向下夸克构成。 含有奇异夸克的粒子称为奇异重子(或超子)。

作为其中的一个例子，图1综合显示了含有奇异夸克的∑+和质子之间的预期力。 可以看出，与核力量相比，这是更强的斥力。 这样，为了捕捉该夸克产生的力的全貌，不仅是作用于由上( u )和下( d )夸克构成的核子之间的核力量，重要的是扩展到含有奇异夸克 ( s )的奇异重子和核子之间的力进行调查。通过调查这个“扩张的核力量”，可以知道夸克间的作用力。 含有奇异重子的原子核(超原子核)和可以说是受重力束缚的巨大原子核的中子星(注7 )，是由这个“扩张的核力”支配的多粒子系统。 为了理解这些，有必要详细调查这个“扩张的核力量”。

如图1所示，预计此次我们调查的Σ+和质子之间作用的力与核力相比会成为非常强的斥力。 产生这种斥力的主要原因被认为是“夸克的泡利原理”。 但是，至今为止完全没有这个斥力的强度等实验性的信息。 那是因为质子等的重子单体是为了绝对不会发生夸克的泡利原理而制作的。 因此，当多个粒子重叠时，其效果才会显现出来。特别是通过使Σ+和质子散射并瞬间重合，可以调查该夸克基于泡利原理的斥力。其理由是，如图3所示，2个粒子内含有的4个上夸克的自旋方向可以一致。 夸克还具有颜色这三个自由度(红蓝绿)，但考虑到这一点，也会形成两个u夸克具有相同自旋和颜色的状态。 这违背了泡利的不相容原理:“夸克任何一对都不能采取同样的量子态。”因此，一个u夸克不得不提高能量状态，这看起来是一个很强的斥力。同样的讨论在使两个质子散射时也可能发生，但在这种情况下，由于两个质子本身处于相同的自旋状态，因此根据质子水平的泡利原理处于禁止状态。 另一方面，Σ+和质子在重子水平上是“不同粒子”，所以重子水平上的泡利原理不起作用，可以露骨地调查夸克的泡利原理带来的贡献。 这样，用核力量看不到的夸克对相互作用的效果，可以通过使用奇异重子看到。但是，这种Σ+和质子的散射极其困难，迄今为止只测量了很少次数的散射现象。 其理由是，含有奇异夸克的Σ+寿命非常短，只要飞行约1 cm就马上崩溃。 克服了这个困难，我们开发了一种创新的方法，可以高精度地测量奇异重子和质子的散射现象(注8 )。 到目前为止，带负电荷的Σ和质子的散射测量已经成功。 这次的目标是通过高精度测量Σ+和质子的散射，确定夸克的泡利原理产生的斥力强度。

©三輪浩司图3:Σ+和质子散射时夸克团簇的情况。 在这个例子中，中央的2个u夸克之间自旋和轴环相同，因此处于违背泡利的不相容原理的状态。 人们认为这将产生短距离的斥力。

研究的内容和成果由东北大学·京都大学·kekjaea大阪大学等组成的国际共同实验E40小组(实验负责人:东北大学三轮浩司，14个机构，71名)在世界上首次成功地高精度测量了Σ+和质子的散射微分截面积。 将J-PARC强子实验设施提供的大强度π介子的光束照射到液态氢靶上，产生了比以往约100倍的Σ+。 生成的Σ+与液氢靶内的质子散射，利用被敲击的质子、散射后Σ+衰变放出的质子被称为CATCH (注8 )的实验装置检测，可以确定散射现象。图4将此次实验中测量的微分截面积结果(黑圈)与过去的测量结果(三角及四边形)一起表示。 此外，它还共同展示了对扩张的核力量的理论计算的预期。 理论计算的话，每个模型的预测值都有很大的不同，但是斥力越强的模型预言的微分截面积越大。 由于到目前为止，没有奇异重子和质子的高精度散射数据，所以现在任何理论计算都不能很好地再现数据。 但是，为了再现这个高精度的数据，今后会对理论模型进行改良。

©三輪浩司

图4 :测量的Σ+和质子的散射微分截面积。 3个图对应于将Σ+的运动量分为3个范围，测量微分截面积。 数据点上的竖条表示测量误差。 可以看出，与过去的数据(蓝色和红色的点)相比，这次的数据(黑圈)可以以非常高的精度进行测量。 共同给出了几个理论计算，斥力越强的理论预示着越大的微分截面积。 这次的结果明显比很多理论计算都要小。

微分截面积敏感地反映了作用在粒子之间的力。 通过详细调查微分截面积的大小和角度分布，导出了散射的相位差(注9 )这个量。 图5表示此次求出的相位差值。 相位差的符号表示粒子间的力是引力(符号为正)还是斥力(符号为负)。 另外，相位差的大小与力的强度相对应。 这里粒子间的距离是根据Σ+的波长进行估算的。 可以看出，Σ+和质子的距离约为0.6 fm(1 fm为10-13 cm )左右时，是-20度到-30度左右的斥力。 因为质子的半径是0.87 fm左右，所以在这个距离上Σ+和质子有3成左右的重叠。 从图5的实线所示的质子和质子的散射相位差可以看出，核力在同等程度的距离下还是引力。从简单的估计中得知，Σ+和质子之间的斥力比核力量的引力强2倍左右。这个夸克的泡利原理也是核能斥力芯(注2 )的一个原因。 通过决定该斥力的强度，可以期待基于夸克统一解释扩张后的核力量在短距离内的性质。这次的结果是在2019年4月和2020年6月的J-PARC的使用驾驶时间进行的实验中得到的结果。

©三輪浩司

图5 :散射相位差与粒子间距离的关系。 与此次测量的Σ+p散射的相位差一起，作为比较，共同显示了核力(质子散射)的相位差。 可以看出，在0.6 fm左右的距离内，核能还是引力的，但在Σ+p中已经成为了很大的斥力。 作为Σ+p散射的理论计算，还给出了ESC和fss2的相位差的计算值。

今后的展望这次的Σ+和质子的相互作用，是在短距离内与通常的核力量完全不同的特征通道。 扩张的核力量的一大特征是，根据变体的组合，相互作用的情况特别是在近距离内不同。 因此，同样调查与Σ不同的奇异重子和核子的相互作用很重要。 我们在J-PARC计划进行拉姆达粒子(λ)和质子的散射实验，作为下一个目标。这两个体的应变力和核子的相互作用不仅是原子核中含有应变力的被称为超原子核的原子核的研究基础，对理解受重力束缚的巨大原子核——中子星也非常重要。 在中子星内部，中子在重力的作用下被限制在高密度状态中。 结果，有人指出λ和Σ等奇异重子有可能稳定存在。λ是最轻的X射线，预计中子最先变化的应该是λ。

另外，中子变化为带负电荷的Σ-时，同时允许其他中子变化为质子，因此对稳定中子星的能量非常重要。 这些现象的出现与否，本质上取决于奇异重子和中子之间的作用力有多少吸引力或者排斥力。可以认为，此次测量的Σ+和质子的相互作用等于将粒子电荷反转后的Σ-和中子的相互作用。 可以认为，根据再现我们数据的理论模型，今后将对Σ在中子星内部感受到什么样的力进行计算。 关于λ也是同样的，可以认为今后我们通过测量微分截面积，完成了再现该数据的符合现实的扩张后的核力理论。最近，有人指出，λ和多个中子之间作用的附加力(多体力)，可能会防止重的中子星因自身的重力而压坏。 以我们的数据为基础而建立的扩张核力量的理论，有望成为从超级核中导出含有这种奇异重子的多体力的基础。

【论文信息】杂志名称: 理论和实验物理学的进展progress of theoretical and experimental physics论文标题: 动量范围为0.44-0.80 GeV/c的Σ+p弹性散射微分截面的测量measurement of differential cross sections forσ+p elastic scattering in the momentum range 0.44–0.80 GeV/c作者: T. Nanamura，k.miwa et al.( j-parc e40 collaboration )(七村拓野京都大学研究生院理学研究科/日本原子能研究开发机构、三轮浩司东北大学研究生院理学研究科/高能加速器研究机构)DOI编号: 10.1093/ptep/ptac101URL:https://academic.oup.com/ptep/article/2022/9/093 d01/6677374

【用语说明】(注1 )重子和扩张的核力基本粒子夸克有6种，但稳定存在的是质量最轻的世代上夸克( u )和下夸克( d )两种。 质子和中子的上夸克和下夸克被不同的夸克结构束缚在一起。 也就是说，质子由两个上夸克和一个下夸克( uud )，中子由一个上夸克和两个下夸克( udd )组成。除了质子和中子以外，根据3个夸克结构的不同，还存在很多粒子(重子)。 典型的例子就是含有第三轻的奇异夸克( s )的重子。 含有奇异夸克的重子统称为奇异重子或超子。 此次测量的带正电荷的西格玛粒子(Σ+ )由( uus )组成。 带负电荷的西格玛粒子(Σ- )由( dds )组成，拉姆达粒子(λ)由( uds )组成。汤川秀树博士预言在质子.中子(统称核子)之间，通过交换π介子产生力，这是核能研究的开始。 现在，这种核力量也扩展到了作用于奇异重子和核子之间的力量，包括交换含有奇异夸克的介子的描绘(扩展的介子交换模型)、而且，考虑到夸克之间的相互作用，试图统一地记述相互作用的是“扩张的核力量”的理论。 这个扩展了的核力量的理论，在调查以奇异重子为原子核的构成要素的超级核和中子星等的结构中，是基础的重要东西。(注2 )斥力、斥力芯在2个核子相距1〜2fm左右的远距离，通过交换π介子等，核子力成为引力。 但是，当核子之间的距离缩短到大约1fm以上时，核力量就会变成斥力(排斥力)。 而且，核子之间的距离越短，这种斥力就会急剧增强。 这两个核子之间的芯产生的强斥力叫做斥力芯。 由于远距离引力和短距离斥力的平衡，原子核可以稳定存在。(注3 )泡利的不相容原理像质子中子和电子这样具有1/2大小自旋的粒子称为费米粒子。 两个同种费米子不允许有相同的量子态。 这叫做泡利不相容原理或泡利原理。 夸克也是费米子，所以遵循这个泡利不相容原理(注4 ) 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利用世界最高强度质子束生成的各种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。 其中的强子实验设施将30千兆电子伏的质子束作为金的目标，制作k介子和π介子等“强子束”，然后用它进行原子核和基本粒子的研究。 这次的西格玛粒子可以说是以这个π介子的光束为基础制作的3次粒子的光束。 为了提高实验的精度，生成尽可能大量的西格玛粒子很重要。 因此，提供了世界上最大强度的π子束，每个脉冲约107个(每5.2秒能射出约2秒的光束)可以提供的强子实验设施可以说是进行本研究的最佳实验设施。(注5 )散射的微分截面积由于粒子之间的力的作用，会发生散射现象。 这种散射发生的频率，单纯地考虑的话，与粒子之间覆盖的截面积相对应，所以称为散射截面积。 特别是散射截面积随散射角度的不同，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)因作用在粒子之间的力而有很大不同。 通过实验测量微分截面积，可以调查作用于粒子之间的力。 实际上，作用于核子之间的核子力，是通过将被加速器加速的质子和中子(中子是二次生成的)照射到目标质子上，详细测量散射的微分截面积来进行调查的。 虽然此前曾说过，超子和质子之间也同样重要的是进行散射实验，但由于超子很快就会崩溃的实验困难，到目前为止还无法实现高精度的截面积测量。(注6 )π介子由夸克及其反粒子反夸克对构成的粒子称为介子。 最轻的介子是π介子，本研究中用作束的负电荷的π介子由下夸克和反上夸克构成。(注7 )中子星宇宙中存在着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。 被核力束缚的原子核，核子的数量最多也以300个左右为极限，而中子星可以说是大量中子被重力束缚的巨大原子核。 重质量的恒星在超新星爆炸中迎来终结时，被重力压缩的星芯会成为中子星留下。在近年的天体观测中，观测到了多个质量是太阳2倍的重中子星，据说中子星中心的密度可以达到通常原子核5倍以上的高密度。 预计在那样的高密度下，具有高能量的中子会变化为奇异重子，但由于那时星星的压力会下降，阐明用什么样的机制恢复星星的压力，支撑具有2倍太阳质量的中子星成为了一个大课题。(注8 )奇异重子和质子散射测定方法的建立含有奇异夸克的奇异重子的寿命非常短，所以测量与质子的散射现象非常困难。 我们在J-PARC进行的实验是世界上第一次实现了奇异重子和质子散射的高精度测量。 到目前为止，已经出版了关于Σ和质子散射的论文。装置等的概要请看这里。http://www.toho ku.AC.jp/Japanese/2021/11/press 2021 11 08-04 -scattering.html(注9 )散射相位差在实验中定量确定相互作用强度的方法是测量散射的相位差。 粒子在量子力学上可以看作波。 力在粒子之间作用并散射时，粒子的波会被吸引(引力时)或挤出(斥力时)，从而使波的振动并行移动。 这种振动的并行移动(偏移)称为相位差。 微分截面积包含相位差的处理，因为用公式表示，所以使用该关系求出相位差。【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、法国高丽大学 这些机构为实现实验而开发检测器和实施实验做出了贡献。 东北大学制作了CATCH检测器，KEK和JAEA主导了测量液氢靶和高喷龙生成的实验装置的维修运行。 数据分析是以东北大学、京都大学、JAEA、大阪大学为中心共同进行的。【谢辞】本研究是在以下科研经费补助金的资助下进行的。年轻人研究( a )“通过西格玛质子散射截面积测量来阐明缬氨酸间力的斥力芯的起源”( JSPS KAKENHI Grants No.23684011 )年轻人研究( a )“西格玛质子散射的相位差导出确定夸克-保利斥力芯的大小”( JSPS KAKENHI Grants No.15H05442 )基础研究( a )“新开展海珀隆质子散射实验的缬氨酸间相互作用研究”( JSPS KAKENHI Grants No.18H03693 )新学术领域“用实验和观测解释的中子星的核物质”公开募集研究“用于J-PARC二次波束高强度化的通用触发模块的开发”( JSPS KAKENHIGrants No.15H00838 )基础研究( a )“用超核伽玛射线能谱解释的λn相互作用的电荷对称性”( JSPS KAKENHI Grants No.15H02079 )新学术领域“用实验和观测解释的中子星的核材料”提案型研究“中子过剩核材料中的应力”( JSPS KAKENHI Grants No.24105003 )新学术领域“用量子团簇解释的物质的层次结构”提案型研究“应力强子对撞机”