真空の謎に迫る精密実験始動

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パイ中間子で探る超高密度の世界

2018/04/13 理化学研究所 奈良女子大学 鳥取大学

要旨

理化学研究所(理研)仁科加速器科学研究センタースピン・アイソスピン研究室の西隆博特別研究員、中間子研究室の板橋健太専任研究員、奈良女子大学理学部数物科学科の比連崎悟教授、鳥取大学農学部生命環境農学科の池野なつ美講師らの国際共同研究グループは、理研の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー(RIBF)[1]」を用いて、「パイ中間子[2]原子」という“奇妙な”原子を、従来の数十倍の時間効率で大量生成することに成功しました。

パイ中間子原子とは、電子の代わりに「パイ中間子」という電子の300倍の質量を持つ粒子を原子核に束縛させた原子です。粒子の周回軌道の半径はその質量に反比例するため、パイ中間子は原子核表面をこするような軌道をとり、これを詳しく調べることで、原子核内部の情報を得ることができます。原子核内部は、水の約100兆倍という超高密度の世界です。パイ中間子原子を精密に調べることは、約138億年前に起こった大爆発(ビッグバン)による宇宙創生直後の超高温・高密度の世界から「真空」がどのように変化してきたかを解き明かす鍵となります。

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(4月12日付け:日本時間4月13日)に掲載される予定です。

※国際共同研究グループ

理化学研究所 仁科加速器科学研究センター
スピン・アイソスピン研究室
特別研究員 西 隆博(にし たかひろ)
中間子研究室
専任研究員 板橋 健太(いたはし けんた)

奈良女子大学 理学部 数物科学科
教授 比連崎 悟(ひれんざき さとる)

鳥取大学 農学部 生命環境農学科
講師 池野 なつ美(いけの なつみ)

本研究には理化学研究所、奈良女子大学、鳥取大学、京都大学、東京大学、ノートルダム大学(米国)、ドイツ重イオン研究所(ドイツ)、ステファンマイヤー研究所 (オーストリア)から39名の研究者が参加。

背景

全ての物質は原子からできています。原子の中には電子と原子核が存在しており、原子核は陽子と中性子によって構成されています。さらに陽子や中性子を分割すると三つのクォーク[3]になり、クォークはこれ以上分割できない素粒子であるというのが現代の標準的な物理学の考え方です。電子は、他の粒子と比べると無視できるほど軽いので、全ての物質の質量は陽子や中性子が担っているといえます。では、その構成粒子であるクォークが質量の源であると考えてよいでしょうか。実は、この一見当たり前といえる問いの答えは、“ノー”なのです。

陽子や中性子を構成するクォークにはアップ(u)とダウン(d)の2種類があり、それぞれの質量は約2MeV/c2(Mは100万、eVは電子ボルト、cは光の速度、1MeV/c2は約1.7×10-30kg)と5MeV/c2です。ところが、2個のアップクォークと1個のダウンクォークからなる陽子や、1個のアップクォークと2個のダウンクォークからなる中性子の質量は約1,000MeV/c2であり、クォーク質量の和の約100倍も重いのです(図1)。

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