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圖1 :包含質(zhì)子、中子和應(yīng)變夸克的奇怪粒子由三個(gè)夸克組成(左圖)。 由于這三種夸克的構(gòu)成不同，存在著各種各樣的粒子。 這些粒子之間的相互作用非常復(fù)雜，因?yàn)閮?nèi)部包含的夸克有助于相互作用(右圖)。 特別是在2個(gè)粒子重疊的近距離的相互作用中夸克的效果非常明顯。 為了理解夸克在核力量和擴(kuò)展核力量中所起的作用，改變夸克的種類來(lái)研究相互作用的變化是很重要的。

【研究的內(nèi)容和成果】 由東北大學(xué)高能加速器研究機(jī)構(gòu)( KEK )日本原子能研究開發(fā)機(jī)構(gòu)( JAEA )京都大學(xué)大阪大學(xué)等組成的國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)E40小組(實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人:東北大學(xué)三輪浩司、15個(gè)機(jī)構(gòu)、71名)在超子之一的帶負(fù)電荷的Σ粒子在液體氫靶中飛行時(shí)，表現(xiàn)得非常出色。 首次成功檢測(cè)散射時(shí)敲擊出的質(zhì)子，高精度地測(cè)量了在哪個(gè)方向上有多容易散射的微分截面積(散射概率的角度依賴性)。 圖2顯示了此次實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的微分截面積的結(jié)果(黑圈)和過(guò)去的測(cè)量結(jié)果(紅圈)。 另外，與將質(zhì)子和中子之間作用的核力量擴(kuò)展到含有應(yīng)變夸克的超子的理論計(jì)算的預(yù)想一起表示。 通過(guò)比較理論計(jì)算和數(shù)據(jù)，證實(shí)了Σ粒子如粗糙處理夸克的理論計(jì)算(圖2的藍(lán)虛線)所預(yù)期的那樣，容易向前散射。 但是，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算之間有很大的差距。 這次測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將成為改良這些理論計(jì)算的指導(dǎo)方針，期待著對(duì)擴(kuò)展后的核力量的理解今后有飛躍性的進(jìn)展。 在實(shí)驗(yàn)中，用J-PARC強(qiáng)子實(shí)驗(yàn)設(shè)施提供的大強(qiáng)度π介子(注4 )的射線束照射液態(tài)氫靶，制作出了約為以往實(shí)驗(yàn)100倍的Σ粒子。 生成的Σ粒子大部分不會(huì)散射或反應(yīng)，直接崩潰，因此生成大量Σ粒子是關(guān)鍵。 在以往的實(shí)驗(yàn)中，為了確定散射現(xiàn)象，使用了將反應(yīng)可視化的檢測(cè)器，但由于可視化所需的時(shí)間長(zhǎng)，在此期間通過(guò)的多個(gè)光束會(huì)映入眼簾，因此為了確定散射現(xiàn)象，需要抑制光束強(qiáng)度。 在本研究中，通過(guò)被稱為CATCH的實(shí)驗(yàn)裝置(圖3 )檢測(cè)生成的Σ粒子與液態(tài)氫靶內(nèi)的質(zhì)子散射后，敲擊出的質(zhì)子和散射后Σ粒子崩潰釋放出的粒子，從而可以確定散射現(xiàn)象。 該裝置首次通過(guò)以優(yōu)異的精度測(cè)量粒子的通過(guò)時(shí)間和通過(guò)位置，在使用J-PARC大強(qiáng)度派中間子束的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，也能夠?qū)⑾嗬^發(fā)生的現(xiàn)象逐個(gè)分開進(jìn)行有效測(cè)量，由科學(xué)研究費(fèi)補(bǔ)助金東北大學(xué)的研究者開發(fā)制作。 這次的結(jié)果是在2019年2月至3月的J-PARC使用運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中取得的成果。

圖2 :測(cè)量的負(fù)電荷Σ粒子和質(zhì)子的散射微分截面積。 4幅圖將Σ粒子的動(dòng)量大小分為4個(gè)范圍，對(duì)應(yīng)于測(cè)量微分截面積。 數(shù)據(jù)點(diǎn)上的棒表示測(cè)量的誤差。 此次測(cè)量的結(jié)果(黑圈)與過(guò)去測(cè)量的結(jié)果(紅線圈)相比，可以得到非常高的精度測(cè)量。 在過(guò)去的測(cè)量中，觀測(cè)到的事件數(shù)量少，無(wú)法在運(yùn)動(dòng)量范圍內(nèi)分類，所以在所有運(yùn)動(dòng)量范圍內(nèi)，這里顯示相同的測(cè)量數(shù)據(jù)。 與測(cè)量數(shù)據(jù)一起顯示的是基于幾個(gè)理論假設(shè)的微分截面積的預(yù)測(cè)。 特別是表現(xiàn)粒子中夸克效果的理論計(jì)算(藍(lán)線)和數(shù)據(jù)在某種程度上是一致的。 可以認(rèn)為，今后通過(guò)進(jìn)一步收集這樣高精度的數(shù)據(jù)，可以獲得粒子間相互作用的全貌和相互作用的起源的相關(guān)信息。

圖3 :主要探測(cè)器CATCH探測(cè)器的照片(左、中)。 如(左)所示，在檢測(cè)器的內(nèi)側(cè)布滿對(duì)放射線發(fā)光的閃爍光纖，測(cè)量反應(yīng)中產(chǎn)生的粒子軌跡。 在其外側(cè)配置對(duì)放射線發(fā)光的特殊結(jié)晶，測(cè)量粒子的動(dòng)能。 根據(jù)這些信息，鑒定發(fā)生了什么樣的反應(yīng)。 照片(右)是在實(shí)驗(yàn)裝置前拍的實(shí)驗(yàn)組成員的照片。

【今后的展望】 要弄清擴(kuò)張后的核力量的全貌，重要的是調(diào)查不同的超子、質(zhì)子、超子之間的作用力。 迄今為止，在J-PARC強(qiáng)子實(shí)驗(yàn)設(shè)施中，一直在調(diào)查把這樣的超子放入原子核中的被稱為超核(超原子核)的原子核的性質(zhì)。 它是闡明超子和質(zhì)子的散射實(shí)驗(yàn)、以及含有超子的原子核——超核的研究擴(kuò)展的核力量的一大支柱，這次散射實(shí)驗(yàn)的成功將成為研究的一大進(jìn)步。 這次報(bào)告了超子之一的帶負(fù)電荷的Σ粒子和質(zhì)子的散射的高精度測(cè)量的結(jié)果。 在E40實(shí)驗(yàn)中，還進(jìn)行了負(fù)電荷的Σ粒子與質(zhì)子反應(yīng)，變化為另一種超子的λ粒子和中子的反應(yīng)，以及正電荷的Σ粒子和質(zhì)子的散射的測(cè)量，目前正在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。 要理解基于夸克擴(kuò)展的核力量，重要的是建立能夠統(tǒng)一記述這些反應(yīng)的理論框架。 已知該擴(kuò)展的核力量取決于粒子間的自旋狀態(tài)，因此今后準(zhǔn)備進(jìn)行控制超子自旋的散射、以及與Σ粒子不同種類的超子——λ粒子和質(zhì)子的散射的測(cè)量。 包括本結(jié)果在內(nèi)，通過(guò)改良理論，以再現(xiàn)今后積累的超子和質(zhì)子的高精度散射數(shù)據(jù)，期待能夠構(gòu)筑“符合現(xiàn)實(shí)的擴(kuò)張核力量理論”。 符合這個(gè)現(xiàn)實(shí)的擴(kuò)張核力量理論，也成為解釋超級(jí)核多樣性性質(zhì)的基礎(chǔ)。 另外，也有人指出，在中子星(注5 )的內(nèi)部，中子在重力的作用下被封閉在高密度狀態(tài)，λ粒子和Σ粒子等超子有可能穩(wěn)定存在。 由于這些現(xiàn)象本質(zhì)上依賴于超子與中子之間產(chǎn)生的作用力，因此這次的結(jié)果和今后我們積累的散射數(shù)據(jù)對(duì)于理解中子星的結(jié)構(gòu)也是極其重要的。 有人指出，在觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的具有兩倍太陽(yáng)質(zhì)量的重中子星中，超子通過(guò)產(chǎn)生我們完全不知道的力，使重中子星穩(wěn)定存在。 期待這次我們?nèi)〉贸晒Φ倪@個(gè)實(shí)驗(yàn)方法，也能解開中子星內(nèi)部的未知力。

【用語(yǔ)說(shuō)明】 (注1 )奇怪的粒子和擴(kuò)展的核力量 作為基本粒子的夸克有6種，穩(wěn)定存在的是質(zhì)量最輕的世代的上夸克( u )和下夸克( d ) 2種。 如圖1 (左)所示，質(zhì)子和中子的上夸克和下夸克處于不同夸克結(jié)構(gòu)束縛的狀態(tài)。 也就是說(shuō)，質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克( uud )組成，中子由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克( udd )組成。 根據(jù)這三個(gè)夸克的構(gòu)成不同，存在很多粒子(統(tǒng)稱為超子)。 其典型例子就是含有第三輕的應(yīng)變夸克( s )的粒子。 因?yàn)榭淇松嫌小捌婀帧钡拿?，所以含有?yīng)變夸克的粒子(特別是重子)總稱為奇怪的粒子和超子。 此次測(cè)量的帶負(fù)電荷的Σ粒子(標(biāo)記為σ)由( dds )組成。 帶有正電荷的Σ粒子(標(biāo)記為σ+ )是( uus )，λ粒子(標(biāo)記為λ)由( uds )組成。 湯川秀樹博士預(yù)言質(zhì)子(統(tǒng)稱核子)之間通過(guò)交換π介子來(lái)產(chǎn)生核力量，這就是核力量研究的開始。 現(xiàn)在，將這種核力量擴(kuò)展到含有應(yīng)變夸克的粒子和核子之間起作用的力上，考慮到含有應(yīng)變夸克的介子的交換的描繪(擴(kuò)展的介子交換模型)，以及夸克之間的相互作用，統(tǒng)一記述相互作用，“被擴(kuò)展 這種擴(kuò)展的核力量理論是研究以超子為原子核構(gòu)成要素的超核和中子星等結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，非常重要。 (注2 ) J-PARC強(qiáng)子實(shí)驗(yàn)設(shè)施 位于茨城縣東海村的大強(qiáng)度質(zhì)子加速器設(shè)施J-PARC使用世界最高強(qiáng)度質(zhì)子束生成的多彩的2次粒子，進(jìn)行了各種各樣的基本粒子原子核物理的研究和物質(zhì)科學(xué)·生命科學(xué)的研究。 在其中的強(qiáng)子實(shí)驗(yàn)設(shè)施中，以30千兆電子伏的質(zhì)子束為金靶，制作出k介子和π介子等“強(qiáng)子束”，用它進(jìn)行原子核和粒子的研究。 這次的Σ粒子可以說(shuō)是以這個(gè)π介子的光束為基礎(chǔ)產(chǎn)生的三次粒子的光束。 為了提高實(shí)驗(yàn)的精度，盡可能生成大量的Σ粒子變得重要。 因此，每脈沖能提供約107個(gè)(每5.2秒產(chǎn)生約2秒的束)世界最大強(qiáng)度的π介子束的強(qiáng)子實(shí)驗(yàn)設(shè)施可以說(shuō)是進(jìn)行本研究的最佳實(shí)驗(yàn)設(shè)施。 (注3 )散射的微分截面積 由于粒子之間有力的作用，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。 單純考慮的話，這種散射的發(fā)生頻率與粒子之間復(fù)蓋的截面積相對(duì)應(yīng)，因此稱為散射截面積。 特別是，散射截面積因散射角度而異的情況稱為散射的微分截面積。 實(shí)際上，散射的頻率(截面積)和角度依賴性(微分截面積)因粒子之間作用的力而有很大差異。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量微分截面積，可以調(diào)查粒子之間的作用力。 實(shí)際上，在核子之間起作用的核力量是通過(guò)用被加速器加速的質(zhì)子和中子(中子是二次生成的)照射目標(biāo)質(zhì)子，詳細(xì)測(cè)量散射的微分截面積來(lái)進(jìn)行調(diào)查的。 雖然據(jù)說(shuō)超子和質(zhì)子之間也同樣進(jìn)行散射實(shí)驗(yàn)很重要，但由于超子很快就會(huì)崩潰的實(shí)驗(yàn)困難，迄今為止無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的截面積測(cè)量。 (注4 )π介子夸克和作為其反粒子的反夸克對(duì)構(gòu)成的粒子稱為介子。 最輕的中間子是π介子，本研究中用作光束的負(fù)電荷π介子由順夸克和反夸克構(gòu)成。 (注5 )中子星 宇宙中有1057個(gè)中子被重力束縛的半徑12km左右的小型天體，這被稱為中子星。 被核力量束縛的原子核，核子數(shù)量最多也不過(guò)300個(gè)左右，但中子星可以說(shuō)是數(shù)量驚人、多中子被重力束縛的巨大原子核。 質(zhì)量較重的恒星在超新星爆炸結(jié)束之際，被重力壓縮的星星芯將成為中子星并保留下來(lái)。 近年來(lái)的天體觀測(cè)中，觀測(cè)到了多個(gè)質(zhì)量是太陽(yáng)兩倍的重中子星，據(jù)說(shuō)中子星中心的密度會(huì)達(dá)到普通原子核的5倍以上。 預(yù)計(jì)在這樣的高密度下，具有高能量的中子會(huì)變化為超子，但通過(guò)變化為超子，星星的壓力會(huì)下降，因此，明確利用什么樣的機(jī)制恢復(fù)星星的壓力，支撐具有兩倍太陽(yáng)質(zhì)量的中子星成為了一大課題。 有人指出，在高密度下，超子和多個(gè)中子之間作用的力對(duì)于制造支撐中子星的壓力至關(guān)重要。 我們將通過(guò)對(duì)超核的研究，來(lái)闡明這種含有超子的多粒子之間產(chǎn)生的作用力。 通過(guò)散射實(shí)驗(yàn)了解超子和核子兩粒子之間作用的力，是從超核研究中解釋該多粒子之間作用的力的基礎(chǔ)。

【國(guó)際研究小組】 本研究由東北大學(xué)、高能加速器研究機(jī)構(gòu)( KEK )、日本原子能研究開發(fā)機(jī)構(gòu)( JAEA )、京都大學(xué)、大阪大學(xué)(理學(xué)研究科、核物理研究中心)、理化學(xué)研究所(高能原子核研究室、介子科學(xué)研究室、放射線研究室)、千葉大學(xué)、岡山大學(xué)、韓國(guó)高麗大學(xué)、法國(guó) 這些機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)器開發(fā)和實(shí)驗(yàn)的實(shí)施做出了貢獻(xiàn)。 東北大學(xué)制作了CATCH檢測(cè)器，KEK和JAEA主導(dǎo)了測(cè)量液態(tài)氫靶和超子生成的實(shí)驗(yàn)裝置的維修運(yùn)轉(zhuǎn)。 數(shù)據(jù)分析以東北大學(xué)、JAEA、京都大學(xué)、大阪大學(xué)為中心共同進(jìn)行。

【謝詞】 本研究是在以下科學(xué)研究費(fèi)補(bǔ)助金的資助下進(jìn)行的。 青年研究( a )“通過(guò)Σ質(zhì)子散射截面積測(cè)量弄清重子力的斥力芯的起源”( JSPS KAKENHI Grants No.23684011 ) 青年研究( a )“通過(guò)Σ質(zhì)子散射的相位差導(dǎo)出來(lái)確定夸克-保利斥力芯的大小”( JSPS KAKENHI Grants No.15H05442 ) 基礎(chǔ)研究( a )“基于超子質(zhì)子散射實(shí)驗(yàn)的π介子相互作用研究的新進(jìn)展” ”( JSPS Kake Nhi授權(quán)號(hào)18h 03693 ) 新學(xué)術(shù)領(lǐng)域“通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)探明的中子星核物質(zhì)”公開征集研究“用于J-PARC二次束高強(qiáng)度化的通用觸發(fā)模塊的開發(fā)”( JSPS KAKENHI Grants No.15H00838 ) 基礎(chǔ)研究( a )“用超核伽馬射線光譜解釋的λn相互作用的電荷對(duì)稱性”( JSPS KAKENHI Grants No.15H02079 ) 新學(xué)術(shù)領(lǐng)域“通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)探明的中子星核物質(zhì)”提案型研究“中子過(guò)剩核物質(zhì)中的應(yīng)變能”( JSPS KAKENHI Grants No.24105003 ) 新學(xué)術(shù)領(lǐng)域“用量子簇解讀的物質(zhì)的分層結(jié)構(gòu)”提案型研究“用應(yīng)變強(qiáng)子簇探索的物質(zhì)的分層結(jié)構(gòu)”( JSPS KAKENHI Grants No.18H05403 )

【論文情報(bào)】

 雑誌名:物理復(fù)習(xí)C 論文動(dòng)量范圍470至850 MeV/c內(nèi)σ-p彈性散射微分截面的タイトル:Measurement 著者:K. Miwa等人(三輪浩司 東北大學(xué)大學(xué)院理學(xué)研究科) 數(shù)字對(duì)象標(biāo)志符番號(hào):10.1103/PhysRevC.104.045204 網(wǎng)址:https://link . APS . org/doi/10.1103/PhySrevc . 104.045204