光子ビームによるエキゾティックな 6 クォーク粒子「ダイバリオン」の研究

• 研究課題/領域番号: 19H01902
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 石川 貴嗣 東北大学, 電子光理学研究センター, 助教 (40400220)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2020年度: 11,310千円 (直接経費: 8,700千円、間接経費: 2,610千円); 2019年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
• キーワード: ダイバリオン / コヒーレント光生成反応 / ハドロン分光 / ハドロン間相互作用

研究開始時の研究の概要

6 つのクォークからなるエキゾティックな粒子「ダイバリオン」の性質を、重陽子標的に対して2つの中性メソンと重陽子を終状態とする光生成反応で詳細に調べる。ダイバリオンの性質を詳細に調べ、存在するダイバリオンの系統性から、強い力で相互作用するクォーク・グルーオンの複合粒子「ハドロン」がどのように構成されるかを解明することを目指す。

研究成果の概要

クォークの複合粒子であるハドロンは、3つのクォークからなるバリオン、クォークと反クォークからなるメソンに分類されてきた。ハドロンの内部構造と相互作用が非摂動領域の強い力の基礎理論たる量子色力学を解明する鍵である。光子ビームを重水素標的に照射し、終状態に２つの中性メソンと重陽子を見出す反応を実験的に調べた。２つの中性パイオン、あるいは中性パイオンとエータメソンの生成反応の断面積測定で、複数の2バリオンの共鳴状態(ダイバリオン)を観測し、質量、幅の決定とスピンパリティの推定を行った。これらのダイバリオンは重陽子の励起状態であり、新たな形態のハドロンと言える。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、コヒーレントダブルメソン光生成反応でダイバリオンという６つのクォークから構成されるハドロンの観測に成功した。新たなハドロンの形態であるダイバリオンを観測したことで、クォークが単独では取り出せないという閉じ込め問題に新たな知見を与える。我々が発見したダイバリオンの一部がドイツ・ボン大学の ELSA 施設で追認されたり、反応計算を行う理論研究者も現れ始めたり、ダイバリオンの分光という新たな分野を切り拓いた。またダイバリオンの構造に対する理解は、未だよく理解されていない核物質の状態方程式や中性子星の内部構造に対して極めて重要な情報をもたらす。

研究成果

• [雑誌論文] Coherent photoproduction of the neutral-pion and η-meson on the deuteron at incident energies below 1.15 GeV (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Ishikawa, A. Fix et al.
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 105 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevc.105.045201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] SPring-8 LEPS2 beamline: A facility to produce a multi-GeV photon beam via laser Compton scattering (2022)
  • 著者名/発表者名: N. Muramatsu, T. Ishikawa et al.
  • 雑誌名: arXiv:2112.07832 巻: 2112
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] K－d→πΛN reaction for studying charge symmetry breaking in the ΛN interaction (2022)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Iizawa, Daisuke Jido, Takatsugu Ishikawa
  • 雑誌名: arXiv:2201.06737 巻: 2201
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Resonance-like structure near the ηd threshold in the γd→ηd reaction (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Ishikawa et al.
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 104 号: 5 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevc.104.l052201
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Continuous timing measurement using a data-streaming DAQ system (2021)
  • 著者名/発表者名: Honda Ryotaro、Aramaki Takashi、Asano Hidemitsu、Akaishi Takaya、Chang W C、Igarashi Youichi、Ishikawa Takatsugu、Kajikawa Shunsuke、Ma Yue、Nagai Kei、Noumi Hiroyuki、Sako Hiroyuki、Shirotori Kotaro、Takahashi Tomonori
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2021 号: 12 ページ: 1-20
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab128
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Coherent Neutral Pion and eta Meson Photoproduction on the Deuteron (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Takatsugu、for the FOREST collaboration
  • 雑誌名: Few-Body Systems 巻: 62 号: 3
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01621-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extension of the J-PARC Hadron Experimental Facility: Third White Paper (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuya Aoki, Takatsugu Ishikawa et al. (Taskforce on the extension of the Hadron Experimental Facility)
  • 雑誌名: arXiv: 2110.04462 巻: 2110
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Search for NΔ Resonance State Via the Exclusive Measurement of γd → d π+π- Reaction (2021)
  • 著者名/発表者名: Toyama Y.、Ishikawa T.、Kanda H.、Kaneta M.、Maeda K.、Muroi Y.、Nagao S.、Nakamura S. N.、For the NKS2 Collaboration
  • 雑誌名: Few-Body Systems 巻: 63 号: 1 ページ: 15-15
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01719-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Study of high-rate capabilities of CITIROC1A and PETIROC2A ASICs (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Honda, T. Ishikawa, S. Kajikawa, Y. Kimura, H. Noumi, K. Shirotori, R. Tatsumi, and N. Tomida
  • 雑誌名: ELPH Annual Report 2020, Tohoku University 巻: 2020 ページ: 13-23
• [雑誌論文] Current status of the FOREST/BLC experiments at ELPH (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Ishikawa, K. Aoki, H. Fujioka, Y. Honda, T. Hotta, K. Itahashi, H. Kanda, H. Kawai, K. Maeda, Y. Matsumura, M. Miyabe, S. Miyata, N. Muramatsu, H. Ohnishi, K. Ozawa, Y. Sada, H. Shimizu, M. Tabata, A.O. Tokiyasu, and Y. Tsuchikawa
  • 雑誌名: ELPH Annual Report 2020, Tohoku University 巻: 2020 ページ: 71-75
• [雑誌論文] Testing a prototype plastic scintillator hodoscope for the J-PARC E50 experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Ishikawa, M. Miyabe, H. Noumi2;, H. Ohnishi, Y. Sada, K. Shirotori, A.O. Tokiyasu, and C. Yoshida
  • 雑誌名: ELPH Annual Report 2020, Tohoku University 巻: 2020 ページ: 77-80
• [雑誌論文] Coherent photoproduction of the neutral pion and eta meson on the deuteron (II) (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Ishikawa et al.
  • 雑誌名: ELPH Annual Report 2020, Tohoku University 巻: 2020 ページ: 81-84
• [雑誌論文] Experimental study of (p, 2p) reactions at 392 MeV on 12C, 16O, 40Ca and 208Pb nuclei leading to low-lying states of residual nuclei (2020)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Noro, Takatsugu Ishikawa et al.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2020 号: 9
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa109
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Differential cross sections, photon beam asymmetries, and spin density matrix elements of ω photoproduction off the proton at Eγ=1.3?2.4 GeV (2020)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu N. et al. LEPS2/BGOegg Collaboration
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 102 号: 2 ページ: 025201-025201
  • DOI: 10.1103/physrevc.102.025201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Search for η′ Bound Nuclei in the C12(γ,p) Reaction with Simultaneous Detection of Decay Products (2020)
  • 著者名/発表者名: N.Tomida, N.Muramatsu, M.Niiyama, J.K.Ahn, W.C.Chang, J.Y.Chen, M.L.Chu, S.Date, T.Gogami, H.Goto, H.Hamano, T.Hashimoto, Q.H.He, K.Hicks, T.Hiraiwa, Y.Honda, T.Hotta, H.Ikuno, Y.Inoue, T.Ishikawa, I.Jaegle, J.M.Jo, Y.Kasamatsu, H.Katsuragawa, S.Kido, Y.Kon, T.Maruyama, (全63名）
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 号: 20 ページ: 202501-202501
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.202501
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] ωN scattering length from ω photoproduction on the proton near the reaction threshold (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa T.、7番目
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 101 号: 5 ページ: 052201-052201
  • DOI: 10.1103/physrevc.101.052201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Non-strange dibaryons studied in coherent double neutral-meson photoproduction on the deuteron (2020)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa et al.
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 241 ページ: 01007-01007
  • DOI: 10.1051/epjconf/202024101007
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ωN scattering length from ω photoproduction on the proton near the threshold (2020)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa et al.
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 2249 ページ: 030027-030027
  • DOI: 10.1063/5.0008651
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] ωN scattering length from ω photoproduction on the proton near the threshold (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Ishikawa et al.
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 2319 ページ: 080017-080017
  • DOI: 10.1063/5.0036979
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Neutron-neutron scattering length from π+ photoproduction on the deuteron (2020)
  • 著者名/発表者名: S.X. Nakamura, T. Ishikawa, T. Sato
  • 雑誌名: arXiv preprint 巻: nucl-th
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ηN Scattering Parameters and Possible η'd Bound State from η Photoproduction on the Deuteron (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Ishikawa et al.
  • 雑誌名: Acta Physica Polonica B 巻: 51 号: 1 ページ: 27-32
  • DOI: 10.5506/aphyspolb.51.27
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Non-strange dibaryons studied in coherent double neutral-meson photoproduction on the deuteron (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Ishikawa et al.
  • 雑誌名: Acta Physica Polonica B 巻: 51 号: 1 ページ: 329-332
  • DOI: 10.5506/aphyspolb.51.329
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Performance of the FOREST/BLC Spectrometer for Study of the η-nucleon Interaction via the γd→pηn Reaction (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Miyata, T. Ishikawa et al.
  • 雑誌名: Springer Proceedings in Physics 巻: 238 ページ: 705-708
  • DOI: 10.1007/978-3-030-32357-8_113
  • ISBN: 9783030323561, 9783030323578
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of Non-strange Dibaryon Resonances Via Coherent Double Neutral-Meson Photoproduction from the Deuteron (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Ishikawa et al.
  • 雑誌名: Springer Proceedings in Physics 巻: 238 ページ: 609-613
  • DOI: 10.1007/978-3-030-32357-8_96
  • ISBN: 9783030323561, 9783030323578
  • 査読あり
• [雑誌論文] 最近の研究から「光子ビームで探るクォーク・グルーオン多体系―ダイバリオンの発見から分光へ」 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石川貴嗣、笠木治郎太
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 BUTSURI 巻: 75
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measuring Space-Time Properties of the Δ(1232) via Bose-Einstein Correlations (2019)
  • 著者名/発表者名: Qinghua He, Takatsugu Ishikawa et al.
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 26
  • DOI: 10.7566/jpscp.26.024004
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Non-strange Dibaryon Resonances Observed in Coherent Double Neutral-Pion Photoproduction on the Deuteron (2019)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa et al.
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 26
  • DOI: 10.7566/jpscp.26.022014
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experimental Study of Di-quark Correlation by CharmedBaryon Spectroscopy at J-PARC High-Momentum Secondary Beam Line (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Komatsu
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: - ページ: 022029-022029
  • DOI: 10.7566/jpscp.26.022029
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] eta photoproduction off the deuteron and low-energy eta-nucleon interaction (2019)
  • 著者名/発表者名: S.X. Nakamura, H. Kamano, T. Ishikawa
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 26 ページ: 0230011-4
  • DOI: 10.7566/jpscp.26.023001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Non-strange dibaryon resonances explored at J-PARC (2022)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: Second International Workshop on the Extension Project for the J-PARC Hadron Experimental Facility (2nd J-PARC HEF-ex WS)
  • 国際学会
• [学会発表] π-ビームを使った陽子標的でのηメソン生成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石川貴嗣
  • 学会等名: J-PARCハドロン研究会2022
• [学会発表] 閾値近傍における重水素標的でのコヒーレントπ^0 η光生成反応 (II) (2022)
  • 著者名/発表者名: 石川貴嗣
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Coherent neutral pion and eta meson photoproduction on the deuteron (2021)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: The 19th International Conference on Hadron Spectroscopy and Structure in memoriam Simon Eidelman (HADRON 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Coherent neutral pion and eta meson photoproduction on the deuteron (2021)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: the 24th International Spin Symposium (SPIN2021)
  • 国際学会
• [学会発表] ηメソンと重陽子の結合状態の観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石川貴嗣
  • 学会等名: 第7回クラスター階層領域研究会
• [学会発表] γd→π0 π0 π0 d反応に見られるd* (2380)ダイバリオンのシグナル (2021)
  • 著者名/発表者名: 石川貴嗣
  • 学会等名: ELPH workshop C031 (多彩なビーム実験と多様な理論的手法で迫るハドロン間相互作用)
• [学会発表] ハドロン実験用電磁カロリメータの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石川貴嗣
  • 学会等名: 測定器開発プラットフォーム& テストビームライン研究会
• [学会発表] J-PARC E50 実験前方ホドスコープ用プラスチックシンチレータの時間分解能 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石川貴嗣
  • 学会等名: 日本物理学会2021 年秋季大会, オンライン
• [学会発表] γd→π0 π0 π0 d反応に見られるd* (2380)ダイバリオンのシグナル (2021)
  • 著者名/発表者名: 石川貴嗣
  • 学会等名: 日本物理学会2021 年秋季大会, オンライン
• [学会発表] Coherent neutral pion and eta meson photoproduction on the deuteron (2021)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: Yamada Conference LXXII: The 8th Asia-Pacific conference on Few-Body problems in Physics (APFB2020)
  • 国際学会
• [学会発表] ηd threshold structure from the γd→π0ηd reaction (2021)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: Hadron in Nucleus 2020 (HIN20)
  • 国際学会
• [学会発表] Hadron physics from meson photoproduction experiments at ELPH (2021)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: 東京工業大学量子物理学ナノサイエンス第307 回セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] nn scattering length from positive pion photoproduction on the deuteron (2021)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: 東京工業大学インフォーマルセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Low-energy neutron-neutron scattering studied with pion photoproduction on the deuteron (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoshi X Nakamura
  • 学会等名: Hadron in Nucleus 2020 (HIN20)
  • 国際学会
• [学会発表] Hadron-hadron scattering length from meson photoproduction (2020)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: Joint THEIA-STRONG2020 and JAEA/Mainz REIMEI Web-Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hadron-hadron scattering length from meson photoproduction (2020)
  • 著者名/発表者名: 石川貴嗣
  • 学会等名: ELPH workshop C029 “様々なフレーバー領域で探るクォーク・ハドロン多体系の分光と構造”
• [学会発表] 重水素標的におけるコヒーレントπ0η光生成反応によるηN散乱長の決定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石川貴嗣
  • 学会等名: 新学術領域研究「量子クラスターで読み解く物質の階層構造」 ワークショップ（第5回クラスター階層領域研究会）
• [学会発表] 仮想光子を使った nn 散乱長の精密測定による荷電対称性の破れの研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石川貴嗣
  • 学会等名: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」 ワークショップ（第2回領域全体会議）
• [学会発表] Determination of eta-nucleon scattering length from eta photoproduction on the deuteron (2020)
  • 著者名/発表者名: 石川貴嗣
  • 学会等名: 新学術領域研究「量子クラスターで読み解く物質の階層構造」 ワークショップ（第3回クラスター階層領域研究会）
• [学会発表] Neutron-neutron scattering length from π+ photoproduction on the deuteron (2020)
  • 著者名/発表者名: 中村聡
  • 学会等名: ELPH workshop C029 “様々なフレーバー領域で探るクォーク・ハドロン多体系の分光と構造”
  • 招待講演
• [学会発表] Photo-production of the eta-meson on the deuteron (2020)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: International Symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems (CLUSHIQ2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Dibaryon photoproduction on the deuteron detecting two neutral pions and deuteron (2020)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: KEK/Tokai Internal workshop on “Physics of heavy-quark and exotic hadrons”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Experimental study of a light exotic baryon with neutral meson photoproduction (2020)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Tsuchikawa
  • 学会等名: KEK/Tokai Internal workshop on “Physics of heavy-quark and exotic hadrons”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ωN scattering length from ω photoproduction on the proton near the threshold (2019)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: The 15th International Conference on Meson-Nucleon Physics and the Structure of the Nucleon, MENU2019
  • 国際学会
• [学会発表] Non-Strange Dibaryons studied in coherent double neutral-meson photoproduction on the deuteron (2019)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: The 12th Internal workshop on the Physics of Excited Nucleons (NSTAR2019)
  • 国際学会
• [学会発表] ηN scattering parameters and possible η'N bound state from η photoproduction on the deuteron (2019)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: 3rd Jagiellonian Symposium on Fundamental and Applied Subatomic Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Non-strange dibaryons studied in coherent double neutral-meson photoproduction on the deuteron (2019)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: 3rd Jagiellonian Symposium on Fundamental and Applied Subatomic Physics
  • 国際学会
• [学会発表] ωN scattering length from ω photoproduction on the proton near the threshold (2019)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: The 14th Asia-Pacific Physics Conference 2019 (APPC2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Study of charge symmetry breaking from the precise and accurate measurement of the nn scattering length using virtual photons (2019)
  • 著者名/発表者名: 石川 貴嗣
  • 学会等名: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」 ワークショップ（第1回領域全体会議）
• [学会発表] コヒーレントなダブルメソン光生成反応で探るダイバリオン共鳴, (2019)
  • 著者名/発表者名: 石川 貴嗣
  • 学会等名: ELPH workshop C024 “ハドロン構造における多粒子相関”
• [学会発表] Dynamical coupled-channels approach to electroweak reactions on nucleon and deuteron (2019)
  • 著者名/発表者名: 中村 聡
  • 学会等名: ELPH workshop C024 “ハドロン構造における多粒子相関”
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamical coupled-channels approach to electroweak reactions on nucleon and deuteron (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi X Nakamura
  • 学会等名: The 15th International Conference on Meson-Nucleon Physics and the Structure of the Nucleon, MENU2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] ηメソンと重陽子の結合状態の観測に成功
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/11/press20211130-03-meson.html
• [備考] 光子ビームによるダイバリオン状態の研究
  • URL: http://apollo.lns.tohoku.ac.jp/hadron/mbr/ishikawa/j2021c.html
• [備考] 光子ビームによるダイバリオン状態の研究
  • URL: http://www.lns.tohoku.ac.jp/hadron/mbr/ishikawa/j2020c.html
• [備考] 光子ビームによるダイバリオン状態の研究
  • URL: http://www.lns.tohoku.ac.jp/hadron/mbr/ishikawa/j2019c.html
• [学会・シンポジウム開催] YITP internal workshop, Hadron in Nucleus 2020 (HIN20) (2021)