ハイパー核ガンマ線分光で解明するΛN相互作用の荷電対称性

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H02079
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 田村 裕和 東北大学, 理学研究科, 教授 (10192642)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 実験核物理 / ハイパー核 / ストレンジネス / ガンマ線分光 / バリオン間相互作用 / 荷電対称性 / 鏡像核 / J-PARC

研究実績の概要

2015年度前半には、J-PARC K1.8ラインにγ線検出器群Hyperball-Jを設置して、Λハイパー核の荷電対称性の破れの有無を確定するための実験である4ΛHeのγ線分光実験(J-PARC E13)を実施した。その後データ解析を行い、1406±2±2 keV の明確なγ線ピークを発見し、これを4ΛHe(1+->0+)のγ遷移と同定した。この結果は、昔の統計量の少ないデータから言われていた値(1.15 MeV)と大きく異なっていた。鏡像核の4ΛH(1+->0+)遷移エネルギーが1.09±0.02 MeVであることがわかっているので、鏡像核の間でレベル間隔が0.3 MeV異なることがわかった。この結果は、通常核で荷電対称性の破れによる鏡像核のエネルギー差が60keV程度であるという事実と大きく異なる。また、昔のエマルジョンの4ΛH, 4ΛHeの基底状態の束縛エネルギーのデータ、および最近マインツ大で測定された4ΛH基底状態の束縛エネルギーのデータと組み合わせると、基底状態0+に荷電対称性の大きな破れがあるが励起状態1+にはほとんど破れがないことが分かり、Λ核子間の荷電対称性の破れがスピンに依存することが明らかになった。これらの結果は、この大きな荷電対称性の破れの起源を解明する上で重要な情報となる。この結果は、東北大・KEK・JAEA・J-PARC共同でプレス発表し、PRLに論文発表、いくつかの国際会議等で報告した。
一方の4ΛH(1+->0+)のγ遷移エネルギーをHyperball-J検出器によって高精度で測る実験を検討・デザインし、J-PARC PACに実験提案を行った。この際、上記の結果を受けて、当初の方法から実験方法を見直し、ヘリウムでなくリチウム標的を用いて4ΛHの励起状態を生成することにした。必要となるエアロゲル検出器を製作し、テストを行って良好な結果を得た。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

4ΛHeのガンマ線分光実験は、当初の予定通り行われ、分解能・統計量ともに質の高いデータが得られた。観測されたガンマ線から、Λ核子間にきわめて大きな荷電対称性の破れがあることが確定したが、これは我々も予想外の結果であり、世界の理論家に驚きを与えるとともに、理論・実験両面での研究を加速させた。また、今後行う4ΛHのガンマ線分光実験については、実験方法を見直したことで、当初の見積もりよりもハイパー核の生成量が増えてエネルギーの測定精度が上がると期待している。

今後の研究の推進方策

・今後も検出器の準備を着実に進める必要がある。実験準備を進める人材として、今後は研究者（任期付助教）を雇用することも検討する。
・この実験を行うJ-PARC K1.1ビームラインは、KEKの予算不足のため整備が遅れる可能性も出てきたため、我々は実験準備を着実に進めてKEKにビームラインの早期整備を要求するつもりである。

研究成果

• [国際共同研究] Seoul National University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Seoul National University
• [国際共同研究] INFN, Sezione di Torino/Universit di Torino/Politecnico di Torino(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: INFN, Sezione di Torino/Universit di Torino/Politecnico di Torino
• [国際共同研究] Joint Institute for Nuclear Research(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: Joint Institute for Nuclear Research
• [雑誌論文] Observation of Spin-Dependent Charge Symmetry Breaking in ΛN Interaction: Gamma-Ray Spectroscopy of 4ΛHe (2015)
  • 著者名/発表者名: T.O. Yamamoto, M. Agnello, Y. Akazawa, N. Amano, K. Aoki, E. Botta, N. Chiga, H. Ekawa, P. Evtoukhovitch, A. Feliciello, M. Fujita, T. Gogami, S. Hasegawa, S.H. Hayakawa, T. Hayakawa, R. Honda, K. Hosomi, ... T. Koike, ... H. Tamura, ... M. Ukai et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 115 ページ: 222501 (1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.222501
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Study of ΛN Interaction via the γ-ray Spectroscopy of 4ΛHe and 19ΛFe (E13-1st) (2015)
  • 著者名/発表者名: T.O. Yamamoto, M. Agnello, Y. Akazawa, N. Amano, K. Aoki, E. Botta, N. Chiga, H. Ekawa, P. Evtoukhovitch, A. Feliciello, M. Fujita, T. Gogami, S. Hasegawa, S.H. Hayakawa, T. Hayakawa, R. Honda, K. Hosomi, ... T. Koike, ... H. Tamura, ... M. Ukai et al
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 8 ページ: 021017 (1-6)
  • DOI: 10.7566/JPSCP.8.022017
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurement of the Λ Spin-flip B(M1) Value in Hypernuclei (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Sasaki, T.O. Yamamoto, M. Agnello, Y. Akazawa, N. Amano, K. Aoki, E. Botta, N. Chiga, H. Ekawa, P. Evtoukhovitch, A. Feliciello, M. Fujita, T. Gogami, S. Hasegawa, S.H. Hayakawa, T. Hayakawa, R. Honda, K. Hosomi, ... T. Koike, ... H. Tamura, ... M. Ukai et al
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 8 ページ: 022013 (1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSCP.8.022013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] J-PARC E19 Experiment: Pentaquark Θ+ Search in Hadronic Reaction at J-PARC (2015)
  • 著者名/発表者名: T. N. Takahashi, ....T. Koike, ....H. Tamura et al. (J-PARC E19 collaboration)
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 8 ページ: 022011 (1-6)
  • DOI: 10.7566/JPSCP.8.022011
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hypernuclear production cross section in the reaction of 6Li + 12C at 2 AGeV (2015)
  • 著者名/発表者名: C. Rappold, T.R. Saito, ... Tamura et al.
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 747 ページ: 129-134
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2015.05.059
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Precise determination of 12ΛC level structure by γ-ray spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Hosomi, Y. Ma, S. Ajimura, K. Aoki, S. Dairaku, Y. Y. Fu, H. Fujioka, K. Futatsukawa, W. Imoto, Y. Kakiguchi, M. Kawai, ... T. Koike, .....M. Mimori, S. Minami, Y. Miura, K. Miwa, ... H. Tamura, ... M. Ukai et al.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2015 ページ: 021D01 (1-8)
  • DOI: 10.1093/ptep/ptv113
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Overview of hypernuclei -What are exciting now? (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Tamura
  • 学会等名: EMMI Workshop on anti-matter, hyper-matter and exotica production at the LHC
  • 発表場所: CERN, Geneva, Switzerland
  • 年月日: 2016-07-20 – 2016-07-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Study of ΛN interaction via the A=4 mirror Λ hypernuclei: H and He (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Koike
  • 学会等名: Future directions for nuclear structure and reaction theories: Ab initio approaches for 2020
  • 発表場所: GANIL, Caen, France
  • 年月日: 2016-03-14 – 2016-03-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent Achievements at J-PARC and Future Prospects of Hypernuclear Study (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Tamura
  • 学会等名: The Second JLab Hypernuclear Workshop
  • 発表場所: Jefferson Laboratory, Newport News, VA, USA
  • 年月日: 2016-03-14 – 2016-03-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Present Status and Future Prospectsof Hypernuclear Physicsat J-PARC (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Tamura
  • 学会等名: Internation Workshop on "Production and study of neutron-rich hypernucle -.Physics and potentialities at FAIR/R3B"
  • 発表場所: CEA-Saclay, Orme des Merisiers, France
  • 年月日: 2016-01-19 – 2016-01-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hypernuclear Physics at J-PARC (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Tamura
  • 学会等名: Frontiers in hadron and nuclear physics with strangeness and charm
  • 発表場所: ECT*, Trento, Italy
  • 年月日: 2015-10-19 – 2015-10-23
  • 国際学会
• [学会発表] Gamma-ray spectroscopy of Lambda hypernuclei at J-PARC (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Koike
  • 学会等名: International symposium on the “Frontier of γ-ray spectroscopy” (Gamma15)
  • 発表場所: Osaka University, Toyonaka, Osaka, Japan
  • 年月日: 2015-09-30 – 2015-10-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Gamma-ray spectroscopy of 4ΛHe hypernuclei with Hyperball-J (2015)
  • 著者名/発表者名: T.O. Yamamoto
  • 学会等名: International symposium on the “Frontier of γ-ray spectroscopy” (Gamma15)
  • 発表場所: Osaka University, Toyonaka, Osaka, Japan
  • 年月日: 2015-09-30 – 2015-10-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] (K-,π-)反応を用いた4ΛHeのガンマ線分光 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山本剛史 for the J-PARC E13 collaboration (田村裕和、小池武志ほか）
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 大阪市大、大阪市住吉区
  • 年月日: 2015-09-25 – 2015-09-28
• [学会発表] Gamma-ray spectroscopy of hypernuclei - recent results and prospects at J-PARC (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Tamura
  • 学会等名: The 12th International Conference on Hypernuclear and Strange Particle Physics (HYP2015)
  • 発表場所: Tohoku University, Sendai, Japan
  • 年月日: 2015-09-07 – 2015-09-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Prospect of gamma-ray spectroscopy of 4ΛH at J-PARC (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Ukai
  • 学会等名: The 12th International Conference on Hypernuclear and Strange Particle Physics (HYP2015)
  • 発表場所: Tohoku University, Sendai, Japan
  • 年月日: 2015-09-07 – 2015-09-12
  • 国際学会
• [備考] 【プレスリリース】J-PARCハドロン実験施設で"奇妙な粒子"が原子核の荷電対称性を破る現象を発見
  • URL: http://www.sci.tohoku.ac.jp/news/20151125-3744.html
• [備考] 原子核物理学の基本法則「荷電対称性」を大きく破る「奇妙な粒子」 （東北大理物理 トピックス）
  • URL: http://www.phys.tohoku.ac.jp/topics/topics-2010/