HOME > 理論グループ > 研究内容 > ハドロン原子核理論

ハドロン原子核理論

我々の身近にある豊かで多様な自然界は、宇宙開闢以来の物質進化の帰結であると考えられています。宇宙はビッグバンで始まり、まず素粒子が生成され、高温状態のクォーク・グルーオンプラズマ状態が初期に存在しました。宇宙が膨張するにつれて温度が下がり、プラズマ状態から、クォークがハドロン中に閉じ込められた状態になります.次に、ビッグバン元素合成と恒星内部の核融合反応により軽い原子核が生成され、最後に、重い原子核は超新星爆発によって生み出されたと推測されます。原子核物理学は、この宇宙の物質創成と究極の高密度物質であるクォーク・ハドロン多体系の性質を解明する学問分野です。自然界の元素の起源、究極のクォーク・ハドロン多体系の性質を理解することにより、宇宙と物質の創世を解明し、人智を極めることが原子核物理学の理念です。ハドロン原子核理論分野では、この宇宙の物質創世と様々な物質の性質を系統的に研究しています。

ハドロンと原子核の基本相互作用である量子色力学は非摂動的領域で解くことが難しいため、クォーク・グルーオン多体系としてのハドロンや原子核の構造と反応を正確に把握することが困難な場合が多々あります.これを逆に考えれば,理論研究者に新たな強結合多体系物理学分野の挑戦的課題を与え、実験研究者には理論的に容易に予想できない新粒子やクォーク・ハドロン物質を発見する機会を提供します。原子核物理学の研究を系統的に推進するためには、理論研究者と実験研究者の密接な連携が必要不可欠であり、J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex)、KEKB (KEK B Factory)、LHC (Large Hadron Collider)、RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider)などの実験研究者と連携して、核子構造、エキゾチックハドロン、重イオン核物理、ストレンジネス核物理の研究を行っています。

核子と原子核の構造関数

 ハドロンの内部構造を研究することは量子色力学(QCD)の検証のみならず、現在の理論の枠組みを超える新しい物理現象の追求のための重要な課題です。これまで摂動論的QCDは理論的に研究され、幾多の高エネルギー実験で検証されていますが、QCDの非摂動論的側面は確立していません。例えば、核子のスピンは基本的物理量の一つであるにも関わらず、その起源は解明されていません。単純なクォーク模型によれば、核子のスピンはクォークのスピンによって担われているはずですが、偏極レプトン・核子散乱実験の解析によって、その割合は非常に小さい(20-30%)ことが判明しています。2014年、グルーオンスピンの寄与が比較的大きいことが分かる進展がありましたが(Scientific American, July 21, 2014)、クォークとグルーオンのスピンが核子スピンを担っている割合は50%に至らず、パートンの軌道角運動量の効果が大きな役割を果たすと考えられます。軌道角運動量については、形状因子とパートン分布関数の要素を内包する一般化パートン分布(GPD)を用いて特定できることが理論的に示されていますが、その実験的な検証には至っていません。
 本研究室では、クォーク・グルーオンが担うスピンの割合を理論的に解明すること、またエキゾチックハドロンの内部構造の解明を目指してGPDに関する研究を行っています。GPDは縦方向と横方向の3次元の内部構造の情報を有しているため、この研究分野は一般的にハドロン・トモグラフィーと呼ばれています。量子的密度分布は、位相空間における位置座標と運動量の関数であるWigner分布で研究することができます。これまでは、Wigner分布をパートンの横方向運動量k_⊥と空間座標で積分した縦方向運動量の割合xのみに依存するパートン分布関数(PDF)や、xとk_⊥で積分しFourier変換した形状因子が研究されてきました。しかし、核子のスピン構造には軌道角運動量つまり横方向運動量依存性の理解が不可欠であり、LHCの様な高エネルギー陽子反応におけるハドロンやジェット生成断面積の横運動量依存性の記述に横方向運動量に依存する分布、つまりハドロン3次元構造の解明が必要となり、最近研究が重点的に行われる様になりました。Wigner分布は6つの変数の関数であるため、これを最初に直接研究することは現実性がありません。従って、3次元構造の解明を目指して、運動量を積分した一般化パートン分布GPD (Generalized Parton Distribution)、GPDの過程においてMandelstam変数sとtを交叉させて得られる一般化分布振幅GDA(Generalized Distribution Amplitude)、および横方向運動量依存分布関数TMD(Transverse Momentum Dependent parton distribution)が研究されています。本研究では、核子のGPDやTMDを摂動論的QCDの手法を用いて、またハドロン模型を用いて研究することにより、核子スピン起源と3次元構造の解明研究を行っています。

QCDの相構造

水は常温常圧では液体ですが、温度や圧力を変えてやると相転移を起こし、高温では気体(水蒸気)、低温では固体(氷)になります。強い相互作用の基礎理論である量子色力学(QCD)においても同様な相転移が起こることが理論的に予言されています。温度零、密度零の真空においては、色を持ったクォークやグルーオンは単独では存在できず、無色のハドロンの中に閉じこめられるハドロン相が現れますが、高温や高密度ではクォークやグルーオンが解放され単独で存在するクォーク・グルーオン・プラズマ相が現れます。また最近、低温高密度では、電子系の超伝導と類似な現象が起こり、カラー超伝導相が実現することが予言されています。さらに、ハドロン相とカラー超伝導相の間にカラー強磁性相が存在するのではないかとの予測もあります。有限温度・有限密度においてQCDがどのような相構造を持つかを決定することはハドロン物理の重要な課題の一つです。

また、実際の原子核反応で作られる状態は平衡状態ではなく、非平衡状態であり、このような非平衡状態が平衡状態へ緩和する過程を理解することも重要な課題です。

ストレンジネス、そしてチャームを伴うハドロン原子核物理

 原子核は陽子・中性子といった核子から成り立っています。この核子(N)はクォークレベルで見れば、アップクォーク(u)、ダウンクォーク(d)で作られています。そこにu, dの次に重いストレンジネスクォーク(s)を持ち込むことで、強い相互作用をする粒子の集まりである原子核を、より広く一般的に理解しようとするのがストレンジネス核物理です。
 ストレンジネスクォークを含む核子の仲間をハイペロンと言いますが、ハイペロンと核子との間には核子間とは違った性質の相互作用が現れます。特にΛとΣという二種類のハイペロンの質量差が小さいために、ΛNとΣNの間で粒子転換が原子核中で生じます。ハイペロンΛが瞬間的に別のハイペロンΣに転化することで引力を稼ぎます。このようにストレンジネスをもつ原子核では、我々の周りにある原子核では顕著ではない独自の束縛機構があり、有限量子多体系として興味深い研究対象です。
 ストレンジネスは、遥か彼方宇宙に存在している中性子星においても重要な役割を果たします。その大きな質量による巨大な重力によって、中性子星内部は高密度状態になっています。そのような高密度下では、フェルミ粒子である核子はハイペロンという別の粒子に転化し、フェルミ面を下げることでエネルギーを稼ぐと考えるのが自然です。中性子星内部ではストレンジネスクォークが発現していると考えられます。近年、太陽の2倍の質量を持つ中性子星が正確に観測されました。その発見とと供にストレンジネス核物理の重要性も増しています。単純に考えるとストレンジネスが発現することで自由度が増え、核物質の状態方程式が軟化します。ストレンジネスの発現と観測された2倍の太陽質量を持つ中性子星の存在が無矛盾に説明できるのか、大変話題となっております。
 ストレンジネスクォークをもつ中間子に反K中間子(K-, K0bar)があります。この反K中間子と核子との間には、とりわけ強い引力が働くことが知られております。ある理論研究では、反K中間子を原子核中に入れると、その周りに核子が引き寄せられ原子核内部に高密度状態が形成される可能性が示唆されています。あたかも反K中間子が引力の種のように振る舞い、普通の原子核の数倍に達する高密度状態(これは中性子星内部に匹敵!)が出来るのかもしれません。反K中間子が束縛した原子核(K中間子原子核)が、本当に高密度状態を形成するのか?またそのような状態が安定に存在するのか?ということはストレンジネス核物理のホットな話題の一つです。K中間子原子核は高密度状態への入り口(doorway to dense matter)なのかもしれません。そうであれば、K中間子原子核から、ハドロン物理において重要なテーマ「高密度下でのカイラル対称性の部分的回復」について情報を得ることが出来ると期待されます。現在、K中間子原子核の中で最も基本的とも言える”K-pp”(K-中間子と2つの陽子からなる系)が、理論・実験両面から精力的に調べられています。
 更には近年、ストレンジネスの次に重いチャームクォークを含むハドロン原子核の研究が進展しつつあります。チャームクォークは、アップ、ダウン、ストレンジネスに比べ遥かに重いクォークです。軽いクォークで重要であったカイラル対称性に代わり、チャームクォークでは別の対称性(Heavy quark symmetry)が支配すると考えられます。そこではこれまでとは違った現象が現れるのかもしれません。チャームセクターを研究することで、ハドロン物理に対するより深い理解が進むと期待されます。
 KEKと日本原子力研究開発機構(JAEA)が共同で運営してる大強度陽子加速器施設(J-PARC)では、現在こういったストレンジネス核物理に関する実験が盛んに行われています。また将来的にはチャームの物理も展開される予定です。J-PARCという優れた実験施設が近くにあることは、我々にとって大きなメリットです。実験グループとも協力して、ストレンジネスそしてチャームのハドロン原子核物理の研究を進めています。


最終更新日:2015/04/17