大型放射光施設 SPring-8

公開日

2003年07月01日

平成15年7月1日
大阪大学
日本原子力研究所
（財）高輝度光科学研究センター

　原子核は核子（陽子と中性子）から出来ている約１兆分の１センチメートルの世界である。その極微の世界の基本粒子である核子は、3つのクォーク^（注４）から出来ている。核子の仲間である多くの粒子（バリオン）は、クォークとその間に働く力を媒介するグルーオン^（注５）から構成される世界であり、今まで観測されたバリオンは、全て3個のクォークで構成されている。
　そのため、3個のクォークから成る粒子以外のバリオンは存在し得るのかという本質的な疑問があったと同時に、クォークが単独で観測された例はないため、「なぜ、クォークは粒子中に閉じ込められるのか」という疑問には答えることができなかった。
　今回確認された粒子は、１個の反sクォークと２個ずつのu, dクォークの５個のクォークで構成される全く新しいタイプの粒子であり、この疑問に対する世界ではじめての発見と言える。本発見は、7月4日に Physical Review Letters 誌で発表される。

　LEPSグループが用いたレーザー電子光は、レーザー光をSPring-8の高エネルギー（80億電子ボルト）電子ビームに正面衝突（逆コンプトン散乱^（注６））させることにより得られる高エネルギー光ビーム（高エネルギーガンマ線）である。大阪大学核物理研究センター（センター長　土岐　博）、日本原子力研究所（理事長　齋藤伸三）先端基礎研究センターと高輝度光科学研究センター（理事長　伊原義徳）を中心とするプロジェクトチームは、SPring-8にレーザー電子光実験施設を建設し、平成12年以来レーザー電子光を核子や原子核に照射し、発生する中間子等を測定する実験を行ってきた。
　今回の実験では、約20億電子ボルトのレーザー電子光を炭素原子核に当て、核反応で生成される正負の電荷を持つ２個のK中間子を同時測定した。データを詳細に解析することにより、原子核内の中性子が光を吸収した結果、まず負K中間子^（注７）と新粒子が同時生成され、更に新粒子が中性子と正K中間子に崩壊していることを確認した。正K中間子は反sクォークとuクォーク、また中性子はuクォークと２個のdクォークで構成される。新粒子の質量は、光ビームと負K中間子のエネルギーから計算された。新粒子の質量は理論的にΘ⁺（シータプラス）粒子^（注８）として予想されていたものに極めて近い（図2参照）。

　最近、米国のジェファーソン研究所やロシアの ITEP (INSTITUTE FOR THEORETICAL AND EXPERIMENTAL PHYSICS) 研究所から発見を追認する報告が寄せられており、世界の素粒子・原子核物理学者の注目を集めている。LEPSグループでも新粒子の性質を詳しく調べる実験が間もなく始まる。これによって理論の予言との対応が確認されれば、クォーク核物理の確立のための重要な礎石となる。

図1.　SPring-8における蓄積電子ビームにレーザー光を照射し、 跳ね返された高エネルギーガンマ線（レーザー電子光）を原子核 標的に照射し、放出される粒子の観測を行ってクォーク５個から なる新粒子を発見した。

図2．５個のクォークからなると考えた時のクォーク配位。 Θ+粒子はピラミッドの頂点に位置する。 Sはストレンジネス（クォークがもつ香り量子数の一つ）を表す。