ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

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スススススススススス スススススススススス ススススススススススススス ススススススススススススス KEK KEK スススススス スススス スススススス スススス スススス ススススススススススス 1: スススス ススススススススススス 1: ススス ス スススススス 2: ススス ス スススススス 2: Exotic system with strangeness? Exotic system with strangeness? ススス ス スススススス 3: ススス ス スススススス 3: ススススススス ススススススス ススス ススススススススススス 4: ススス ススススススススススス 4: スススススススススススススス スススススススススススススス 三三三三 三三三 三三三三 三三三 2010. 8. 9-10 @ 2010. 8. 9-10 @ 三三三 三三三 三三三 三三三

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ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界. KEK 理論センター 土手昭伸. 1コマ目: 広がりゆく原子核の世界 2コマ目: K中間子原子核         ~ Exotic system with strangeness? ~ 3コマ目: K中間子原子核         ~ 最近の研究状況 ~ 4コマ目: 重陽子を数値的に解く! … 構造計算の基本が詰まっている. 三者若手夏の学校 2010. 8. 9-10 @ 木島平、長野県. 第 1 コマ. 広がりゆく原子核の世界. 原子核の基礎知識、安定核 不安定核 ハイパー核 - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

ストレンジネスが拓くストレンジネスが拓くエキゾチックな原子核の世エキゾチックな原子核の世

界界

ストレンジネスが拓くストレンジネスが拓くエキゾチックな原子核の世エキゾチックな原子核の世

界界KEK KEK 理論センター 土手昭伸理論センター 土手昭伸

1コマ目: 広がりゆく原子核の世界1コマ目: 広がりゆく原子核の世界

2コマ目: K中間子原子核2コマ目: K中間子原子核        ~         ~ Exotic system with strangeness? Exotic system with strangeness? ~~

3コマ目: K中間子原子核3コマ目: K中間子原子核        ~ 最近の研究状況 ~        ~ 最近の研究状況 ~

4コマ目: 重陽子を数値的に解く!4コマ目: 重陽子を数値的に解く!                  ……構造計算の基本が詰まっている構造計算の基本が詰まっている

三者若手夏の学校三者若手夏の学校2010. 8. 9-10 @ 2010. 8. 9-10 @ 木島平、長野県木島平、長野県

Page 2: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

広がりゆく原子核の世界広がりゆく原子核の世界

第第 11 コマコマ

• 原子核の基礎知識、安定核原子核の基礎知識、安定核• 不安定核不安定核• ハイパー核ハイパー核• ハイパー核研究の現状(実験)ハイパー核研究の現状(実験)• まとめまとめ

Page 3: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

広がりゆく原子核の世界広がりゆく原子核の世界

第第 11 コマコマ

• 原子核の基礎知識、安定核原子核の基礎知識、安定核• 不安定核不安定核• ハイパー核ハイパー核• ハイパー核研究の現状(実験)ハイパー核研究の現状(実験)• まとめまとめ

Page 4: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

原子核 = 陽子・中性子からなる有限量子多体系原子核 = 陽子・中性子からなる有限量子多体系

安定核安定核……約300種約300種

中性子数 N

陽子

数 

20

12620

82208Pb

4040CaCa

Page 5: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

原子核 = 陽子・中性子からなる有限量子多体系原子核 = 陽子・中性子からなる有限量子多体系

安定核安定核……約300種約300種

中性子数 N

陽子

数 

20

12620

82208Pb

4040CaCa

原子核の基本的な性質原子核の基本的な性質

二つの飽和性二つの飽和性

密度の飽和性: 密度の飽和性:  どんな原子核でも密度は一定 どんな原子核でも密度は一定  … … 通常核密度 通常核密度 (Normal density) (Normal density) ρρ00 = 0.17fm = 0.17fm-3-3

束縛エネルギーの飽和性: 束縛エネルギーの飽和性:  Z>20Z>20 の核で の核で  B / A B / A ≒ ≒ 8 MeV8 MeV

魔法数 魔法数 (Magic number)(Magic number)

特定の陽子・中性子数を持つ原子核が特別に安定特定の陽子・中性子数を持つ原子核が特別に安定    2,8,20,28,50,82,126,    2,8,20,28,50,82,126,……

Page 6: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

原子核 = 陽子・中性子からなる有限量子多体系原子核 = 陽子・中性子からなる有限量子多体系

安定核安定核……約300種約300種

中性子数 N

陽子

数 

20

12620

82208Pb

4040CaCa

原子核の基本的な性質原子核の基本的な性質

二つの飽和性二つの飽和性

密度の飽和性: 密度の飽和性:  どんな原子核でも密度は一定 どんな原子核でも密度は一定  … … 通常核密度 通常核密度 (Normal density) (Normal density) ρρ00 = 0.17fm = 0.17fm-3-3

束縛エネルギーの飽和性: 束縛エネルギーの飽和性:  Z>20Z>20 の核で の核で  B / A B / A ≒ ≒ 8 MeV8 MeV

魔法数 魔法数 (Magic number)(Magic number)

特定の陽子・中性子数を持つ原子核が特別に安定特定の陽子・中性子数を持つ原子核が特別に安定    2,8,20,28,50,82,126,    2,8,20,28,50,82,126,……

核力の性質に起因核力の性質に起因 1. 1. 斥力芯斥力芯 2. 2. 交換力交換力 3. 3. テンソル力(テンソル力( Tensor suppressionTensor suppression ))

核力の性質に起因核力の性質に起因 1. 1. 斥力芯斥力芯 2. 2. 交換力交換力 3. 3. テンソル力(テンソル力( Tensor suppressionTensor suppression ))

Page 7: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

原子核 = 陽子・中性子からなる有限量子多体系原子核 = 陽子・中性子からなる有限量子多体系

安定核安定核……約300種約300種

中性子数 N

陽子

数 

20

12620

82208Pb

4040CaCa

原子核の基本的な性質原子核の基本的な性質

二つの飽和性二つの飽和性

密度の飽和性: 密度の飽和性:  どんな原子核でも密度は一定 どんな原子核でも密度は一定  … … 通常核密度 通常核密度 (Normal density) (Normal density) ρρ00 = 0.17fm = 0.17fm-3-3

束縛エネルギーの飽和性: 束縛エネルギーの飽和性:  Z>20Z>20 の核で の核で  B / A B / A ≒ ≒ 8 MeV8 MeV

魔法数 魔法数 (Magic number)(Magic number)

特定の陽子・中性子数を持つ原子核が特別に安定特定の陽子・中性子数を持つ原子核が特別に安定    2,8,20,28,50,82,126,    2,8,20,28,50,82,126,……

核力の性質に起因核力の性質に起因 1. 1. 斥力芯斥力芯 2. 2. 交換力交換力 3. 3. テンソル力(テンソル力( Tensor suppressionTensor suppression ))

核力の性質に起因核力の性質に起因 1. 1. 斥力芯斥力芯 2. 2. 交換力交換力 3. 3. テンソル力(テンソル力( Tensor suppressionTensor suppression ))

Mayer and JensenMayer and Jensen によるによる「強い 「強い LSLS 力を持つ 力を持つ Shell modelShell model 」 (」 ( 19491949 ))

Mayer and JensenMayer and Jensen によるによる「強い 「強い LSLS 力を持つ 力を持つ Shell modelShell model 」 (」 ( 19491949 ))

Page 8: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

原子核 = 陽子・中性子からなる有限量子多体系原子核 = 陽子・中性子からなる有限量子多体系

安定核安定核……約300種約300種

中性子数 N

陽子

数 

20

12620

82208Pb

4040CaCa

原子核の基本的な性質原子核の基本的な性質

二つの飽和性二つの飽和性

密度の飽和性: 密度の飽和性:  どんな原子核でも密度は一定 どんな原子核でも密度は一定  … … 通常核密度 通常核密度 (Normal density) (Normal density) ρρ00 = 0.17fm = 0.17fm-3-3

束縛エネルギーの飽和性: 束縛エネルギーの飽和性:  Z>20Z>20 の核で の核で  B / A B / A ≒ ≒ 8 MeV8 MeV

魔法数 魔法数 (Magic number)(Magic number)

特定の陽子・中性子数を持つ原子核が特別に安定特定の陽子・中性子数を持つ原子核が特別に安定    2,8,20,28,50,82,126,    2,8,20,28,50,82,126,……

核力の性質に起因核力の性質に起因 1. 1. 斥力芯斥力芯 2. 2. 交換力交換力 3. 3. テンソル力(テンソル力( Tensor suppressionTensor suppression ))

核力の性質に起因核力の性質に起因 1. 1. 斥力芯斥力芯 2. 2. 交換力交換力 3. 3. テンソル力(テンソル力( Tensor suppressionTensor suppression ))

Mayer and JensenMayer and Jensen によるによる「強い 「強い LSLS 力を持つ 力を持つ Shell modelShell model 」 (」 ( 19491949 ))

Mayer and JensenMayer and Jensen によるによる「強い 「強い LSLS 力を持つ 力を持つ Shell modelShell model 」 (」 ( 19491949 ))

平均一体場平均一体場 が形成され、が形成され、その中で陽子・中性子がその中で陽子・中性子が様々な配位を取る。様々な配位を取る。

シェルモデル的描像シェルモデル的描像

Page 9: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

だがしかし、そう単純じゃない原子核だがしかし、そう単純じゃない原子核

1 6O

[keV]

この状態は正パリティつまり、

12C4He 12C 4He+

だとすれば、同様の負パリティ状態もあるんじゃないの?

12C4He 12C 4Heーー

実際、このレベルがこれに対応。

12C+4He

H. Horiuchi and K. Ikeda, Prog. Theor. Phys. 40, 277(1968)

軽い原子核におけるクラスター構造軽い原子核におけるクラスター構造

内部に同じクラスター構造をもち、パリティが異なる状態の対を Parity Doublet と言う。

他にも 20Ne の 4He+16O が有名。

Second 0Second 0++

シェルモデルではなかなか書けない

Page 10: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

だがしかし、そう単純じゃない原子核だがしかし、そう単純じゃない原子核

軽い原子核におけるクラスター構造軽い原子核におけるクラスター構造 ““Ikeda’s diagram”Ikeda’s diagram” K. Ikeda, Prog. Theor. Phys. (1968)K. Ikeda, Prog. Theor. Phys. (1968)

• 4n核では α (4He)クラスターが基本単位• 「閾値則」 系のエネルギーがそのクラスター群に分解する閾値近くで、 そのようなクラスター構造が発現する。

• 4n核では α (4He)クラスターが基本単位• 「閾値則」 系のエネルギーがそのクラスター群に分解する閾値近くで、 そのようなクラスター構造が発現する。

基底状態はシェルモデルでよく記述される状態

励起するとクラスター構造が現れうる。

励起するとクラスター構造が現れうる。

Page 11: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

何が言いたいかというと。。。何が言いたいかというと。。。

平均一体場 の中でのparticle-hole 励起

シェル的状態シェル的状態

12C

4He

クラスター的状態クラスター的状態

個性を持ったサブユニット(=クラスター, Cluster )を持つ

長年研究され、よく分かったはずの安定核にすら長年研究され、よく分かったはずの安定核にすら

全く 全く 質の異なる質の異なる 状態が共存する 状態が共存する !!原子核は多彩な姿を見せる?原子核は多彩な姿を見せる?

Page 12: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

広がりゆく原子核の世界広がりゆく原子核の世界

第第 11 コマコマ

• 原子核の基礎知識、安定核原子核の基礎知識、安定核• 不安定核不安定核• ハイパー核ハイパー核• ハイパー核研究の現状(実験)ハイパー核研究の現状(実験)• まとめまとめ

Page 13: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

原子核 = 陽子・中性子からなる有限量子多体系原子核 = 陽子・中性子からなる有限量子多体系

安定核安定核……約300種約300種

中性子数 N

陽子

数 

20

12620

82208Pb

4040CaCa

http://www.rarf.riken.go.jp/newcontents/contents/facility/RIBF.html

不安定核不安定核……約3000種約3000種

RRadioactive adioactive IIsotope sotope BBeam eam FFactoryactory @ @ 理理研研RRadioactive adioactive IIsotope sotope BBeam eam FFactoryactory @ @ 理理研研

Page 14: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象

• Halo Halo 構造構造

I. Tanihata et al, Phys. Lett. B206, 592 (1998)

中性子数の変化に伴う原子核の平均二乗半径の変化

113 8Li

113 8Li

9 103 6 4 6Li , Be

114 7Be

114 7Be

Li isotopeや Be isotope では、 11Liや 11Be で突如半径が大きくなる。

安定核73 4Li 2.33 fm

94 5Be 2.38 fm

113 8Li 3.12 fm

114 7Be 2.73 fm

中性子過剰核

114 7Be

11Liや 11Be の一つないし二つの中性子は 非常に束縛エネルギーが小さい。

一つの中性子を取るに 500keV必要。

113 8Li 二つの中性子を取るに 250keV必要。

注)核子の平均束縛エネルギーは約8MeV。

““ 束縛エネルギーの飽和性”束縛エネルギーの飽和性”が成り立ってない!が成り立ってない!

Page 15: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象

• Halo Halo 構造構造

r

ハロー (Halo) … “月の傘”

ハロー (Halo) … “月の傘”

非常に浅い束縛のため、波動関数が遠方まで染み出しtail を引く。

““ 密度の飽和性”が成り立ってない!密度の飽和性”が成り立ってない!

Potential

Wave func. of the last neutron

中性子過剰核中性子過剰核 安定核安定核S (P) state

S state には遠心力バリアーが立たない。( P でも大丈夫か?)

Page 16: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象

• Halo Halo 構造構造

• 魔法数の破れ 魔法数の破れ (N=8, 20) (N=8, 20)   そして 新しい魔法数の発現 そして 新しい魔法数の発現 (N=16)(N=16)

二つの飽和性を破る二つの飽和性を破る

Page 17: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象

• Halo Halo 構造構造

• 魔法数の破れ 魔法数の破れ (N=8(N=8, 20, 20) )   そして 新しい魔法数の発現 そして 新しい魔法数の発現 (N=16)(N=16)

二つの飽和性を破る二つの飽和性を破る

11Be の異常パリティ問題114 7Be114 7Be

1/ 21s

3/ 21p

1/ 21p

しかし現実は 1

2J

1

2J

と、正パリティ。

単純に Shell model の通りに陽子や中性子を下の軌道からつめていくと 1

2J

1

2J

基底状態は負パリティびはず。

最後の中性子が     に入るため。1/ 21p

5/ 21d1/ 22s

Page 18: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象

• Halo Halo 構造構造

• 魔法数の破れ 魔法数の破れ (N=8(N=8, 20, 20) )   そして 新しい魔法数の発現 そして 新しい魔法数の発現 (N=16)(N=16)

二つの飽和性を破る二つの飽和性を破る

… 魔法数8を形成していた p-shell の中に 上の sd-shell の軌道が混じりこみ、 shell 構造が変化してしまっている。

魔法数の破れ魔法数の破れ

114 7Be114 7Be

1/ 21s

3/ 21p

1/ 21p

5/ 21d1/ 22s

何らかの機構で sd-shell 中の     軌道が

下の p-shell の中へ侵入

1

2J

1

2J

1/ 22s

最後の中性子が    に入るため。1/ 22s

1/ 22s

Page 19: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象

• Halo Halo 構造構造

• 魔法数の破れ 魔法数の破れ (N=8(N=8, 20, 20) )   そして 新しい魔法数の発現 そして 新しい魔法数の発現 (N=16)(N=16)

二つの飽和性を破る二つの飽和性を破る

KEK原子核研究会「現代の原子核物理 -多様化し進化する原子核の描像-」(‘06.8.1-3)木村真明氏(筑波大)のトークより

KEK原子核研究会「現代の原子核物理 -多様化し進化する原子核の描像-」(‘06.8.1-3)木村真明氏(筑波大)のトークより

sd シェル

pf シェル

Page 20: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象不安定核(特に中性子過剰核)における新しい現象

• Halo Halo 構造構造

• 魔法数の破れ魔法数の破れ (N=8, 20) (N=8, 20)   そして 新しい魔法数の発現 そして 新しい魔法数の発現 (N=16)(N=16)

二つの飽和性を破る二つの飽和性を破る

安定核の常識は安定核の常識はもはや通用しない!もはや通用しない!

• Di-neutronDi-neutron相関相関

• 新しいクラスター構造新しいクラスター構造

などなど。。。

Page 21: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

広がりゆく原子核の世界広がりゆく原子核の世界

第第 11 コマコマ

• 原子核の基礎知識、安定核原子核の基礎知識、安定核• 不安定核不安定核• ハイパー核ハイパー核• ハイパー核研究の現状(実験)ハイパー核研究の現状(実験)• まとめまとめ

Page 22: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

Expanding the nuclear world

http://www.rarf.riken.go.jp/newcontents/contents/facility/RIBF.html

原子核=陽子・中性子からなる有限量子多体系原子核=陽子・中性子からなる有限量子多体系

安定核安定核……約300種約300種 不安定核不安定核……約3000種約3000種

RRadioactive adioactive IIsotope sotope BBeam eam FFactoryactory @ @ 理研理研RRadioactive adioactive IIsotope sotope BBeam eam FFactoryactory @ @ 理研理研

安定核から離れる方向へ。安定核から離れる方向へ。

|N-Z| の大きな原子核|N-Z| の大きな原子核

アイソスピン方向へ原子核を拡張アイソスピン方向へ原子核を拡張

Page 23: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

Expanding the nuclear world

Page 24: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

Expanding the nuclear world

Proton Z Neutron NNeutron

halo

Alphacondensation

New magic numberN=16

Page 25: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

StrangenessStrangeness SS

Neutron N

Proton Z Neutron halo

Alphacondensation

New magic numberN=16

Expanding the nuclear world

Page 26: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

Expanding the nuclear world

Proton Z

StrangenessStrangeness SS

Neutron NNeutron

halo

Alphacondensation

New magic numberN=16

p = uud, n=udd … 核子は up, down quark から成る。

次に重い strangeness quarkstrangeness quark を持つ粒子を原子核の中へ!

S = -1: Λ = uds, Σ+ = uus, Σ0 = uds, Σ- = dds S = -2: Ξ0 = uss, Ξ- = dss

Hyperon を通してストレンジネスを原子核の中に。 … ハイパー核 ハイパー核 (Hypernuclei)(Hypernuclei)

Hyperon を通してストレンジネスを原子核の中に。 … ハイパー核 ハイパー核 (Hypernuclei)(Hypernuclei)

Page 27: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

S = 0

Expanding the nuclear world

Proton Z

StrangenessStrangeness SS

Neutron NNeutron

halo

Alphacondensation

New magic numberN=16

p-shell Λ hypernuclei

s-shell Λ hypernuclei

Kaonic nuclei ?

S = -1

Λ hypernuclei: 39Λ hypernuclei: 39

ΣΣ hypernuclei: 1hypernuclei: 1

Page 28: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

S = 0

p-shell Λ hypernuclei

s-shell Λ hypernuclei

Kaonic nuclei ?

S = -1

6 10,He Be 12 ?Be

S = -2

Expanding the nuclear world

Neutron N

Proton Z

StrangenessStrangeness SS

Neutron halo

Alphacondensation

New magic numberN=16

Λ hypernuclei: 39

Σ hypernuclei: 1

ΛΛ hypernuclei: 3

ΛΛ hypernuclei: 3

Ξ hypernuclei: 0Ξ hypernuclei: 0

Page 29: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

もう一度振り返っておきましょう。

核子 陽子

ハイペロン

p 938 MeV1/2

中性子 n 940 MeV

uud

udd

Λラムダ uds 1116 MeV 0

シグマΣ+ uus

Σ0 uds

Σ- dds

グザイ Ξ0 uss

Ξ- dss

質量 アイソスピン

1

1/2

ストレンジネス

0

-1

-1

-21315 MeV

1321 MeV

1189 MeV

1193 MeV

1197 MeVY

N

J-PARC ハドロンサロン(第一回) 武藤さん(千葉工大)の講演スライドよりKEK, 2010.06.17

Page 30: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

Expanding the nuclear world to Strangeness Strangeness SS原子核にストレンジネス(ハイペロン)が加わることで原子核にストレンジネス(ハイペロン)が加わることで何か「新しい状態」ができるか?何か「新しい状態」ができるか?

• Genuine hypernuclear stateGenuine hypernuclear stateハイペロンハイペロン Λ Λ は核子から は核子から Pauli blockPauli block を受けないために実現する状態。を受けないために実現する状態。核子の場合、核子の場合、 Pauli blockPauli block で禁止される状態。で禁止される状態。

実験 : (KEK E336) O. Hasimoto and H. Tamura, Prog. Part. Nucl. Phys. 57, 564 (2006)

理論 : T. Motoba, H. Bando, K. Ikeda and T. Yamada, Prog. Theor. Phys. Suppl. 81, 42 (1985)

Genuine hyper nuclear stateGenuine hyper nuclear stateΛΛが対称軸と並行なが対称軸と並行な pp 軌道軌道            ……核子では禁止される。核子では禁止される。

Genuine hyper nuclear stateGenuine hyper nuclear stateΛΛが対称軸と並行なが対称軸と並行な pp 軌道軌道            ……核子では禁止される。核子では禁止される。

99Be-analog stateBe-analog stateΛΛが対称軸に垂直なが対称軸に垂直な pp 軌道軌道            ……核子でも可能。核子でも可能。

99Be-analog stateBe-analog stateΛΛが対称軸に垂直なが対称軸に垂直な pp 軌道軌道            ……核子でも可能。核子でも可能。

(π+, K+)

Page 31: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

Expanding the nuclear world to Strangeness Strangeness SS原子核にストレンジネス(ハイペロン)が加わることで原子核にストレンジネス(ハイペロン)が加わることで何か「新しい状態」ができるか?何か「新しい状態」ができるか?

• Genuine hypernuclear stateGenuine hypernuclear stateハイペロン Λ は核子から Pauli block を受けないために実現する状態。核子の場合、 Pauli block で禁止される状態。

例 : 9ΛBe 理論 : T. Motoba, H. Bando, K. Ikeda and T. Yamada, Prog. Theor. Phys. Suppl. 81, 42 (1985)

実験 : (KEK E336) O. Hasimoto and H. Tamura, Prog. Part. Nucl. Phys. 57, 564 (2006)

• Impurity effectImpurity effectハイペロンハイペロン ΛΛが加わることで、原子核の性質(特にクラスター構造をもつ核のサイズ)が変化。が加わることで、原子核の性質(特にクラスター構造をもつ核のサイズ)が変化。

• Glue-like effectGlue-like effectハイペロンハイペロン ΛΛからの引力によって、クラスター構造を持つ原子核のサイズが変化。からの引力によって、クラスター構造を持つ原子核のサイズが変化。

例 : 20ΛNe

   21ΛNe

理論 : T. Sakuda and H. Bando, Prog. Theor. Phys. 78, 1317 (1987)

理論 : T. Yamada, K. Ikeda, H. Bando and T. Motoba, Prog. Theor. Phys. 71, 985 (1984)

例 : 7ΛLi

実験 : Tanida et al., PRL 86, 1982 (2001)理論 : T. Motoba, H. Bando, K. Ikeda, PTP 70, 189 (1983). E. Hiyama et al., PRC 59, 2351 (1999); NPA 684, 227 (2001).

6Li → 7ΛLi : 19±4% shrinkage by Λ

4He

pn

Λ

井阪氏(北大)の発表参照 ( 研究会 D, 20:10 ~ 20:30)

6Li7ΛLi

pn

Page 32: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

Expanding the nuclear world to Strangeness Strangeness SS原子核にストレンジネス(ハイペロン)が加わることで原子核にストレンジネス(ハイペロン)が加わることで何か「新しい状態」ができるか?何か「新しい状態」ができるか?

• Genuine hypernuclear stateGenuine hypernuclear stateハイペロン Λ は核子から Pauli block を受けないために実現する状態。核子の場合、 Pauli block で禁止される状態。

例 : 9ΛBe

• Impurity effectImpurity effectハイペロン Λが加わることで、原子核の性質(特にクラスター構造をもつ核のサイズ)が変化。

• Glue-like effectGlue-like effectハイペロン Λからの引力によって、クラスター構造を持つ原子核のサイズが変化。例 : 7

ΛLi

井阪氏(北大)の発表参照 ( 研究会 D, 20:10 ~ 20:30)

• Channel couplingChannel coupling

核子と核子と ΔΔ(核子の励起状態)の質量差に比べ、ハイペロン間の質量差は小さい。(核子の励起状態)の質量差に比べ、ハイペロン間の質量差は小さい。

MixingMixing が生じやすいが生じやすい

S=0N

Δ

~300MeV

S=-1ΛN

ΣN~80MeV

S=-2ΛΛΞN

~30MeV

Page 33: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

Expanding the nuclear world to Strangeness Strangeness SS原子核にストレンジネス(ハイペロン)が加わることで原子核にストレンジネス(ハイペロン)が加わることで何か「新しい状態」ができるか?何か「新しい状態」ができるか?

• Genuine hypernuclear stateGenuine hypernuclear stateハイペロン Λ は核子から Pauli block を受けないために実現する状態。核子の場合、 Pauli block で禁止される状態。

例 : 9ΛBe

• Impurity effectImpurity effectハイペロン Λが加わることで、原子核の性質(特にクラスター構造をもつ核のサイズ)が変化。

• Glue-like effectGlue-like effectハイペロン Λからの引力によって、クラスター構造を持つ原子核のサイズが変化。例 : 7

ΛLi

井阪氏(北大)の発表参照 ( 研究会 D, 20:10 ~ 20:30)

• Channel couplingChannel coupling

核子と Δ(核子の励起状態)の質量差に比べ、ハイペロン間の質量差は小さい。

Mixing が生じやすい

• Coherent ΛN-ΣN couplingCoherent ΛN-ΣN coupling Y. Akaishi, T. Harada, S. Shinmura and K. S. Myint, PRL 84 (2000) 3539

元の原子核が高いアイソスピンを持っているほど、効果は大きくなると考えられる。

中性子過剰核の安定化

• 中性子過剰ハイパー核中性子過剰ハイパー核

Page 34: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

広がりゆく原子核の世界広がりゆく原子核の世界

第第 11 コマコマ

• 原子核の基礎知識、安定核原子核の基礎知識、安定核• 不安定核不安定核• ハイパー核ハイパー核• ハイパー核研究の現状(実験)ハイパー核研究の現状(実験)• まとめまとめ

Page 35: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

ハイパー核研究のややこしい点

… YY はもちろん、YN 相互作用すら確立したものがない!        ( 散乱実験を行うのが困難なため )

通常原子核の場合 ハイパー核の場合

Top-down approach

しっかり決まったNN 相互作用

2体系

3体系

4体系

多体系

Top-down and Bottom-up approach

完全には決まっていないYN,YY相互作用

2体系

3体系

4体系

多体系

理論計算 実験結果

Page 36: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状

• ΛNΛN interaction interaction Experiment

89Y (π+, K+) 89ΛY

SS = -1= -1

(Original) H. Hotchi et al., Phys. Rev. C64, 044302 (2001)Quoted from O. Hasimoto and H. Tamura, Prog. Part. Nucl. Phys. 57, 564 (2006)

Page 37: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状

• ΛNΛN interaction interaction Experiment

89Y (π+, K+) 89ΛY

SS = -1= -1

O. Hasimoto and H. Tamura, Prog. Part. Nucl. Phys. 57, 564 (2006)

ハイペロン ハイペロン Λ Λ の場合であっても、平均場が出来ている。の場合であっても、平均場が出来ている。Λ Λ はその平均場の中を運動している。はその平均場の中を運動している。ハイペロン ハイペロン Λ Λ の場合であっても、平均場が出来ている。の場合であっても、平均場が出来ている。Λ Λ はその平均場の中を運動している。はその平均場の中を運動している。

Page 38: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状

• ΛNΛN interaction interaction

Attractive ΛN ~ 2/3 NN, V0Λ ≒ 30 MeV

Experiment

89Y (π+, K+) 89ΛY

SS = -1= -1 Λ が原子核中で感じる一体ポテンシャル( Woods-Saxon型)の深さ

Page 39: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状

• ΛNΛN interaction interaction

Attractive ΛN ~ 2/3 NN, V0Λ ≒ 30 MeV

Experiment

89Y (π+, K+) 89ΛY

p-shell Λ hypernuclei with Hyperball

SS = -1= -1

Ge detector で4 π覆って、ガンマ線を捕らえる。

O. Hasimoto and H. Tamura, Prog. Part. Nucl. Phys. 57, 564 (2006)

Λ が原子核中で感じる一体ポテンシャル( Woods-Saxon型)の深さ

Hypernuclear γ-ray spectroscopyHypernuclear γ-ray spectroscopy

Page 40: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状

• ΛNΛN interaction interaction

Attractive ΛN ~ 2/3 NN, V0Λ ≒ 30 MeV

Experiment

89Y (π+, K+) 89ΛY

p-shell Λ hypernuclei with Hyperball

Small spin-spin, weak LS, tensor force

SS = -1= -1 Λ が原子核中で感じる一体ポテンシャル( Woods-Saxon型)の深さ

Page 41: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状

• ΛNΛN interaction interaction

Attractive ΛN ~ 2/3 NN, V0Λ ≒ 30 MeV

Small spin-spin, weak LS, tensor force

Experiment

89Y (π+, K+) 89ΛY

p-shell Λ hypernuclei with Hyperball

• ΣNΣN interaction interaction … よく分かっていない ?

SS = -1= -1

4He (K-, π-) 4ΣHe

T. nagae et al., Phys. Rev. Lett. 80, 1605 (1998)

Λ が原子核中で感じる一体ポテンシャル( Woods-Saxon型)の深さ

Page 42: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状

• ΛNΛN interaction interaction

Attractive ΛN ~ 2/3 NN, V0Λ ≒ 30 MeV

Small spin-spin, weak LS, tensor force

Experiment

89Y (π+, K+) 89ΛY

p-shell Λ hypernuclei with Hyperball

• ΣNΣN interaction interaction … よく分かっていない ?

Strong spin-isospin dependence      … 4

ΣHe のみ束縛 , BΣ= 4.4 MeV

SS = -1= -1

4He (K-, π-) 4ΣHe

Λ が原子核中で感じる一体ポテンシャル( Woods-Saxon型)の深さ

Page 43: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状

• ΛNΛN interaction interaction

Attractive ΛN ~ 2/3 NN, V0Λ ≒ 30 MeV

Small spin-spin, weak LS, tensor force

Experiment

89Y (π+, K+) 89ΛY

p-shell Λ hypernuclei with Hyperball

• ΣNΣN interaction interaction … よく分かっていない ?

Strong spin-ispspin dependence      … 4

ΣHe のみ束縛 , BΣ= 4.4 MeV

28Si (π-, K+) spectrum

SS = -1= -1

4He (K-, π-) 4ΣHe

P. K. Saha et al., Phys. Rev. C70, 044613 (2004)

Λ が原子核中で感じる一体ポテンシャル( Woods-Saxon型)の深さ

Page 44: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状

• ΛNΛN interaction interaction

Attractive ΛN ~ 2/3 NN, V0Λ ≒ 30 MeV

Small spin-spin, weak LS, tensor force

Experiment

89Y (π+, K+) 89ΛY

p-shell Λ hypernuclei with Hyperball

• ΣNΣN interaction interaction … よく分かっていない ?

Strong spin-ispspin dependence      … 4

ΣHe のみ束縛 , BΣ= 4.4 MeV

28Si (π-, K+) spectrum 平均的には斥力 V0Σ ≒ -90 MeV

SS = -1= -1

4He (K-, π-) 4ΣHe

Λ が原子核中で感じる一体ポテンシャル( Woods-Saxon型)の深さ

Page 45: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状

• ΛNΛN interaction interaction

12C(K-, K+)12ΞBe (?)

Attractive ΛN ~ 2/3 NN, V0Λ ≒ 30 MeV

Small spin-spin, weak LS, tensor force

Experiment

89Y (π+, K+) 89ΛY

p-shell Λ hypernuclei with Hyperball

• ΣNΣN interaction interaction … よく分かっていない ?

Strong spin-ispspin dependence      … 4

ΣHe のみ束縛 , BΣ= 4.4 MeV

平均的には斥力 V0Σ ≒ -90 MeV 28Si (π-, K+) spectrum

• ΞNΞN interaction interaction … ほとんど分かっていない

SS = -1= -1

SS = -2= -2

4He (K-, π-) 4ΣHe

P. Khaustov et al., Phys. Rev. C61, 054603 (2000)T. Fukuda et al., Phys. Rev. C58, 1306 (1998)

Λ が原子核中で感じる一体ポテンシャル( Woods-Saxon型)の深さ

Page 46: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状

• ΛNΛN interaction interaction

12C(K-, K+)12ΞBe (?)

Attractive ΛN ~ 2/3 NN, V0Λ ≒ 30 MeV

Small spin-spin, weak LS, tensor force

Experiment

89Y (π+, K+) 89ΛY

p-shell Λ hypernuclei with Hyperball

• ΣNΣN interaction interaction … よく分かっていない ?

Strong spin-ispspin dependence      … 4

ΣHe のみ束縛 , BΣ= 4.4 MeV

平均的には斥力 V0Σ ≒ -90 MeV 28Si (π-, K+) spectrum

• ΞNΞN interaction interaction … ほとんど分かっていない

弱い引力? V0Ξ = 14 MeV (?)

SS = -1= -1

SS = -2= -2

4He (K-, π-) 4ΣHe

Λ が原子核中で感じる一体ポテンシャル( Woods-Saxon型)の深さ

Page 47: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状

• ΛNΛN interaction interaction

12C(K-, K+)12ΞBe (?)

6ΛΛHe Emulsion exp.

(Nagara event)

Attractive ΛN ~ 2/3 NN, V0Λ ≒ 30 MeV

Small spin-spin, weak LS, tensor force

Experiment

89Y (π+, K+) 89ΛY

p-shell Λ hypernuclei with Hyperball

• ΣNΣN interaction interaction … よく分かっていない ?

Strong spin-ispspin dependence      … 4

ΣHe のみ束縛 , BΣ= 4.4 MeV

平均的には斥力 V0Σ ≒ -90 MeV 28Si (π-, K+) spectrum

• ΞNΞN interaction interaction … ほとんど分かっていない

弱い引力? V0Ξ = 14 MeV (?)

• ΛΛΛΛ interaction interaction … ほとんど分かっていない

弱い引力 ΔBΛΛ ≒ 1 MeV

SS = -1= -1

SS = -2= -2

4He (K-, π-) 4ΣHe

H. Takahashi et al., Phys. Rev. Lett. 87, 212502 (2001)

Λ が原子核中で感じる一体ポテンシャル( Woods-Saxon型)の深さ

Page 48: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

YN / YY相互作用の現状ΛN相互作用はかなり分かってきたが、その他は依然良く分かってないのが実情。。。

もちろん、理論サイドも研究を頑張っている。

OBEP に基づくもの

Nijmegen potential … HC, SC, NSC97, ESC04, ESC07, …

Juelich potential (←Bonn potential)

クォークの自由度から

Quark cluster model (岡さん、矢崎さん)

fss2 (藤原さんを始め、京都・新潟グループ)

最近、着目を集めているのは。。。

LatticeLattice 計算で、計算で、 QCDQCD から直接核力を求めてしまおう から直接核力を求めてしまおう !!

(初田さん、青木さん、石井さん、根村さん達を始めとする HAL-QCD collaboration)

Ξ0p potential calculated with Lattice QCD

Ξ0p potential calculated with Lattice QCD

Page 49: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

広がりゆく原子核の世界広がりゆく原子核の世界

第第 11 コマコマ

• 原子核の基礎知識、安定核原子核の基礎知識、安定核• 不安定核不安定核• ハイパー核ハイパー核• ハイパー核研究の現状(実験)ハイパー核研究の現状(実験)• まとめまとめ

Page 50: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

ここまでのまとめ原子核の基本的な性質原子核の基本的な性質

密度の飽和性: 密度の飽和性:  どんな原子核でも密度は一定どんな原子核でも密度は一定                   … … 通常核密度 通常核密度 (Normal density) (Normal density) ρρ00 = 0.17fm = 0.17fm-3-3

束縛エネルギーの飽和性:束縛エネルギーの飽和性: B / A B / A ≒ ≒ 8 MeV8 MeV

魔法数 魔法数 (Magic number)(Magic number)

シェル的構造とクラスター的構造シェル的構造とクラスター的構造

          …… 安定核ですら  安定核ですら 異質 異質 な状態を持つ。な状態を持つ。

しかし不安定核になると破たんしかし不安定核になると破たん……

原子核はそう単純ではない。原子核はそう単純ではない。核子多体系は多様性を秘めている!核子多体系は多様性を秘めている!

Page 51: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

ここまでのまとめ不安定核  = アイソスピン方向へ原子核の拡張不安定核  = アイソスピン方向へ原子核の拡張ハイパー核 = ストレンジネス方向へ原子核の拡張ハイパー核 = ストレンジネス方向へ原子核の拡張

さらに面白い構造様式があるのでは?さらに面白い構造様式があるのでは?

• Genuine hypernuclear stateGenuine hypernuclear stateハイペロンは核子からのハイペロンは核子からの Pauli blockPauli block を受けない。を受けない。核子の入れない軌道に入れる。核子の入れない軌道に入れる。

• Impurity effectImpurity effect

• Glue-like effectGlue-like effect

ハイペロンが加わることで元の原子核へ影響ハイペロンが加わることで元の原子核へ影響特にクラスター構造を持つ原子核に対して。特にクラスター構造を持つ原子核に対して。

• Channel couplingChannel coupling

• Coherent ΛN-ΣN couplingCoherent ΛN-ΣN coupling

• 中性子過剰ハイパー核中性子過剰ハイパー核

N-ΔN-Δ に比べ、に比べ、 ΛN-ΣNΛN-ΣN (S=-1), ΛΛ-ΞN (S=-2)(S=-1), ΛΛ-ΞN (S=-2) の質量さは小さい。の質量さは小さい。MixingMixing が起きやすい。が起きやすい。

大きなアイソスピンの原子核で大きなアイソスピンの原子核で ΛN-ΣN couplingΛN-ΣN coupling がが coherentcoherent に起きやすい。に起きやすい。中性子過剰核の安定化中性子過剰核の安定化

原子核を基底配位にしたまま、生じる原子核を基底配位にしたまま、生じる ΛN-ΣN couplingΛN-ΣN coupling

Page 52: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

ここまでのまとめYN / YY YN / YY 相互作用相互作用

散乱実験が難しいため、散乱実験が難しいため、 NNNNほどは分かっていないが、ほどは分かっていないが、理論と実験が協力して、徐々に分かってきている。理論と実験が協力して、徐々に分かってきている。

特に 特に ΛNΛN相互作用はよく分かってきた。相互作用はよく分かってきた。

最近では最近では LatticeLattice 計算によって計算によって QCDQCD から直接求められるようになってきた。から直接求められるようになってきた。

HyperballHyperball によるによる p-shellp-shell 核までの精密ガンマ線分光核までの精密ガンマ線分光      +精密理論計算      +精密理論計算

Page 53: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

ここまでのまとめYN / YY YN / YY 相互作用相互作用

散乱実験が難しいため、散乱実験が難しいため、 NNNNほどは分かっていないが、ほどは分かっていないが、理論と実験が協力して、徐々に分かってきている。理論と実験が協力して、徐々に分かってきている。

特に 特に ΛNΛN相互作用はよく分かってきた。相互作用はよく分かってきた。

最近では最近では LatticeLattice 計算によって計算によって QCDQCD から直接求められるようになってきた。から直接求められるようになってきた。

HyperballHyperball によるによる p-shellp-shell 核までの精密ガンマ線分光核までの精密ガンマ線分光      +精密理論計算      +精密理論計算

Page 54: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

中性子星内部には何らかの形で中性子星内部には何らかの形でストレンジネスが出現しているはず!ストレンジネスが出現しているはず!

Slide of Prof. J. Schaffer-Bielich (Frankfurt) talk in10th International Conference on Hypernuclear and Strange Particle Physics " Hyp X "September 14th - 18th, 2009, "RICOTTI" in Tokai, Ibaraki, Japan

Page 55: ストレンジネスが拓く エキゾチックな原子核の世界

高密度になってくると、なんらかの形で高密度になってくると、なんらかの形でストレンジネスが出現する。ストレンジネスが出現する。

J-PARC ハドロンサロン(第一回) 武藤さん(千葉工大)の講演スライドよりKEK, 2010.06.17