偏極陽子と原子核の衝突反応で大きな左右非対称性を発見

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極小世界のビリヤード実験

2018-01-09 理化学研究所,日本原子力研究開発機構

要旨

理化学研究所(理研)仁科加速器研究センター理研BNL研究センター実験研究グループの秋葉康之グループリーダー、延與放射線研究室の中川格専任研究員とキム・ミンジョン国際プログラム・アソシエイト(研究当時)、日本原子力研究開発機構の谷田聖研究副主幹らが参画するPHENIX実験国際共同研究グループ[1]は、米国ブルックヘブン国立研究所(BNL)の「RHIC(リック)衝突型加速器」[2]を使って、偏極陽子と金原子核の衝突反応により生成される中性子の飛び出す方向に、左側へ約15%の偏りがあることを発見しました。

陽子を含む全ての粒子には、地球の自転に似た「スピン」と呼ばれる、向きを表す性質があります。また、複数の粒子のスピンの向きを揃えた状態を「偏極」と呼びます。偏極陽子が原子核との衝突により中性子に姿を変える際、生成された中性子の飛び出す方向に“左右の偏り”が生じることを「左右非対称性」があるといいます。2007年、理研の研究グループはRHICを使って偏極陽子と偏極していない陽子を衝突させた結果、生成された中性子が偏極陽子の進行方向に対して右側に約5%多く飛び出すことを発見しました注1)。この左右非対称性は、のちに「強い相互作用[3]」の理論で説明されました。

この理論では、陽子のスピンの向きが同じなら、衝突相手が陽子よりも大きい原子核でも、中性子生成の左右非対称性は衝突相手が陽子の場合と大きくは変わらないと予想されています。例えばビリヤードで、真上から見て反時計回りの回転を与えた突き玉を標的玉に当てると、突き玉は右側に弾かれます。このとき、標的玉をより大きく重いボーリング玉に変えても、やはり突き玉は右側に弾かれると予想されます。弾かれる方向に影響するのは突き玉の回転方向と考えられるためです。

そこで、国際共同研究グループは、この予想を検証するためにRHICを使って衝突エネルギー200 GeV(ギガ電子ボルト、ギガ=10億)で、偏極陽子と、陽子より大きく重い粒子であるアルミニウムおよび金の原子核を衝突させる実験を世界で初めて行いました。その結果、アルミニウム原子核との衝突では、中性子生成に左右非対称性はほとんどみられませんでしたが、金原子核との衝突では、中性子が左側へ約15%より多く飛び出すことを発見しました。この結果は予想と全く逆で、国際共同研究グループは非常に驚きました。

本研究は、米国の科学雑誌『Physical Review Letters』に掲載されるのに先立ち、オンライン版(1月8日付け:日本時間1月9日)に掲載されます。

注1)Y. Fukao, et al., “Single Transverse-Spin Asymmetry in Very Forward and Very Backward Neutral Particle Production for Polarized Proton Collisions at s**(1/2) = 200-GeV.” Phys. Lett. B650 (2007) 325-330.

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