資料置場 原子核物理学

ハドロンと原子核

ハドロン

ハドロン (hadron) バリオン

(baryon)

陽子、中性子 ....

メソン (meson) π中間子、...

ハドロン（強粒子）

強い相互作用を行う素粒子

陽子・反陽子以外は不安定粒子

（陽子崩壊は見つかっていない）

バリオン（反バリオン）とメソンに分類される バリオン（重粒子）

最終的な崩壊生成物に陽子を１つ含む

（反陽子を含むと反バリオン） バリオン数１をもつ

バリオン数は保存する

半整数スピンをもつ フェルミオン メソン（軽粒子・中間子）

最終的な崩壊生成物に陽子・反陽子を含まない 整数スピンをもつ ボソン

現在では数百種類のハドロンが発見されている クォークから構成された複合粒子

陽子と中性子の磁気モーメント



=2.792847356±0.000000023 



=−1.9130427±0.0000005 

_N= ^e

2 m_p=3.1524512326 45×10⁻¹⁴ MeV /T 核磁子(Nuclear magneton)

・　陽子のg因子は2ではない 約2.8!!

・　電気的に中性な中性子が磁気モーメントを持つ!!

陽子・中性子の内部構造を示唆

さまざまな共鳴状態

Δ(1232), N(1520), ...

「奇妙な粒子」の発見

G.D.Rochester and C.C.Butler, Nature 160, 855 (1947)

霧箱

鉛の板

素粒子 _{記号 質量(MeV) Q B S J}

陽子 _p⁺ _{938 1 1 0 ½}

中性子 _n⁰ _{940 0 1 0 ½}

ラムダ粒子 _Λ⁰ _{1116 0 1 -1 ½}

シグマ粒子 _Σ⁺ _{1189 1 1 -1 ½}

Σ⁰ 1193 0 1 -1 ½

Σ^- 1197 -1 1 -1 ½

グザイ粒子 _Ξ⁰ _{1315 0 1 -2 ½}

Ξ^- 1321 -1 1 -2 ½

パイ中間子 _π⁺ _{140 1 0 0 0}

π⁰ 135 0 0 0 0

π^- 140 -1 0 0 0

ケイ中間子 _K⁺ _{494 1 0 1 0}

K⁰ 498 0 0 1 0

K⁰ 498 0 0 -1 0

K^- 494 -1 0 -1 0

エータ中間子 _η⁰ _{548 0 0 0 0}

バリオン中間子（メソン）

「奇妙な粒子」の特徴

・　作られやすい

・　崩壊しにくい



 p

 K



^K

^

^

例）





 p

Kメソン、Λバリオンの生成時間　～10^-21 s

・　核子の広がり _～10^-15 _m

・　σ(π+p) ～ 10^-30 m²

・　πメソンは陽子中を10^-23 sで通過

・　約１％の確率でK,Λが生成

・　~10^-21s で生成される

→　強い相互作用をする粒子

生成時間(10^-21) << 崩壊時間(10^-10)

_~10^−24s

⁰^⁻

生成時間 ~ 崩壊時間

強い相互作用で生成し、崩壊する

「奇妙さ（ストレンジネス）」

強い相互作用・電磁相互作用 ストレンジネスを保存

弱い相互作用 ストレンジネス非保存

素粒子 記号 _{質量(MeV) Q B S J}

陽子 _p⁺ _{938 1 1 0 ½}

中性子 _n⁰ _{940 0 1 0 ½}

ラムダ粒子 _Λ⁰ _{1116 0 1 -1 ½}

シグマ粒子 _Σ⁺ _{1189 1 1 -1 ½}

Σ⁰ 1193 0 1 -1 ½

Σ^- 1197 -1 1 -1 ½

グザイ粒子 _Ξ⁰ _{1315 0 1 -2 ½}

Ξ^- 1321 -1 1 -2 ½

パイ中間子 _π⁺ _{140 1 0 0 0}

π⁰ 135 0 0 0 0

π^- 140 -1 0 0 0

ケイ中間子 _K⁺ _{494 1 0 1 0}

K⁰ 498 0 0 1 0

K⁰ 498 0 0 -1 0

K^- 494 -1 0 -1 0

エータ中間子 η⁰ 548 0 0 0 0



 p

 K



Q -1 +1 0 0

B 0 1 0 1

S 0 0 1 -1

K

 



Q 0 +1 -1

B 0 0 0

S 1 0 0



 

 p

Q 0 -1 +1

B 1 0 1

S -1 0 0

PDGから

素粒子 _{記号 質量(MeV) Q I}

3 ^{B S Y J}

陽子 _p⁺ _{938 1 +1/2 1 0 1 ½}

中性子 _n⁰ _{940 0 -1/2 1 0 1 ½}

ラムダ粒子 _Λ⁰ _{1116 0 0 1 -1 0 ½}

シグマ粒子 _Σ⁺ _{1189 1 +1 1 -1 0 ½}

Σ⁰ 1193 0 0 1 -1 0 ½

Σ^- 1197 -1 -1 1 -1 0 ½

グザイ粒子 _Ξ⁰ _{1315 0 +1/2 1 -2 -1 ½}

Ξ^- 1321 -1 -1/2 1 -2 -1 ½

パイ中間子 _π⁺ _{140 1 +1 0 0 0 0}

π⁰ 135 0 0 0 0 0 0

π^- 140 -1 -1 0 0 0 0

ケイ中間子 _K⁺ _{494 1 +1/2 0 1 1 0}

K⁰ 498 0 -1/2 0 1 1 0

K⁰ 498 0 +1/2 0 -1 -1 0

K^- 494 -1 -1/2 0 -1 -1 0

エータ中間子 _η⁰ _{548 0 0 0 0 0 0}

バリオン中間子（メソン）

超電荷 (Hypercharge)

Y =BS

Q =I

 ¹

2 ^Y

荷電多重項に属する粒子の電荷

ハドロン超多重項

p

, n

_



, 

, 



, 

・　バリオン数 １

・　スピン _½

・　強い相互作用で崩壊しない

・　質量が同程度



, 

, 

_

K

, K

K ^

, K

・　バリオン数 ₀

・　スピン _{0　（擬スカラー）}

・　強い相互作用で崩壊しない

・　他のハドロンより軽い スピン1/2バリオンの超多重項

（８重項： octet）

スピン０の

擬スカラーメソンの超多重項

（８重項: octet）

スピン3/2バリオンの１０重項

ベクトルメソン（スピン１、奇パリティ）の９重項 等がある

n







p







Y =S 1

Q =I

 ^Y

2

-1 0 +1

+1

-1

Y =S

-1 0 +1

+1

-1

Y =S 1

-1 0 +1

+1

-1

Y =1

-1 0 +1

+1

-1





K

K 





K

K



' ^{Q =I}

^

Y

2

Q =I

 ^Y

2 ^{Q =I}

^

Y

2





















K

K











K

_K ^

SU(3)群の表現

ハドロンのクォーク(Quark)模型：　ゲルマン・ツバイク(1964)

「クォーク」

「フェネガンズ・ウェイク（ジェームズ＝ジョイス著）」 の中の登場人物の言葉遊び

「マーク旦那には３つのクォーク（海鳥の鳴き声）」 からつけられた。

ハドロンは３種類のクォーク（u, d, s）とその反粒子から構成 バリオン ３つのクォーク

メソン クォーク・反クォーク対

クォーク _{Q B I I}

3 ^S

アップ _{u 2/3 1/3 1/2 +1/2 0}

ダウン _{d -1/3 1/3 1/2 -1/2 0}

ストレンジ _{s -1/3 1/3 0 0 -1}

反アップ _{u -2/3 -1/3 1/2 -1/2 0} 反ダウン _{d 1/3 -1/3 1/2 +1/2 0}

反ストレンジ _{s 1/3 -1/3 0 0 1}

クォーク _{Q B I I}

3 ^S

アップ _{u 2/3 1/3 1/2 +1/2 0}

ダウン _{d -1/3 1/3 1/2 -1/2 0}

ストレンジ _{s -1/3 1/3 0 0 -1}

反アップ _{u -2/3 -1/3 1/2 -1/2 0} 反ダウン _{d 1/3 -1/3 1/2 +1/2 0}

反ストレンジ _{s 1/3 -1/3 0 0 1}

n

udd 



uds 



dds 



 dss

p

uud 



uss



uds ^

uus 

Y =S 1

Q =I

 ^Y

2

-1 0 +1

+1

-1

S =0

S =−1

S =−2

クォーク _{Q B I I}

3 ^S

アップ _{u 2/3 1/3 1/2 +1/2 0}

ダウン _{d -1/3 1/3 1/2 -1/2 0}

ストレンジ _{s -1/3 1/3 0 0 -1}

反アップ _{u -2/3 -1/3 1/2 -1/2 0} 反ダウン _{d 1/3 -1/3 1/2 +1/2 0}

反ストレンジ _{s 1/3 -1/3 0 0 1}

-1 0 +1

+1

-1



_{ d u  }

K

u s

K 

 s  d 



^

^{u  d }

K

d s

K

 s u



'

u u , d d , s s

PDGから

クォークは何個？（何世代？）

Particle Q

ν_eL, ν_μL, ν_τL 0 e_L, μ_L, τ_L -1

u_L 2/3

d'_L -1/3

e_R, μ_R, τ_R -1

u_R 2/3

d'_R -1/3

レプトン（荷電レプトン＋ニュートリノ）は　３世代、６個

J/ψメソンの発見：チャームクォーク・チャーモニウム (1974.11, 11月革命)

スタンフォード線形加速器センター (SLAC)

ブルックヘブン国立研究所 (BNL)

J/ψメソンの発見：チャームクォーク・チャーモニウム (1974.11, 11月革命) SLAC: リヒター BNL: サミュエル＝ティン

e

 e

 J /  hadrons _{pBe  J /   X  e}

_e

_{ X}

J. -E. Augustin et al.,

Phys. Rev. Lett. 33, 1406–1408

J. J. Auber et al,

Phys. Rev. Lett. 33, 1404–1406

チャームクォークと反チャームクォーク対 チャーモニウム

ϒメソンの発見：ボトムクォーク・ボトニウム (1977、レオン＝レーダーマン@FNAL)

p A   X  



 X

S. W. Herb et al.,

Phys. Rev. Lett. 39, 252–255

トップクオークの発見：　テバトロン＠FNAL、1995年

クォーク 記号 _{Q S C B T} アップ _{u +2/3 0 0 0 0} ダウン _{d -1/3 0 0 0 0} ストレンジ _{s -1/3 -1 0 0 0} チャーム _{c +2/3 0 1 0 0} ボトム _{b -1/3 0 0 -1 0} トップ _{t +2/3 0 0 0 1}

ハイパー核

ハイペロン

ハイパー核

通常の原子核にハイペロンが束縛された あたらしい種類の原子核

ハイパー核

通常の原子核にハイペロンが束縛された あたらしい種類の原子核

1952年に発見

Λハイパー核 ^{数十個発見}

2重Λハイパー核 ^３事例



4

He

Ξ、Ωハイパー核は 未発見

ハイパー核の生成

K

_{n  }

K

_{p  }



n  K

e p  e' K

K

_{n  }

_

K

_{p  }

_

K

_{n  }

_

e _{p  }

_e'K

K

_{p  }

_K

Λハイパー核Σハイパー核Ξハイパー核

生成されたハイパー核

Λ粒子は、パウリの排他律を受けない

→　深く束縛された軌道を取る事が容易

→　重い原子核の基底状態の 束縛エネルギーが測定可能 質量数の-2/3乗でよくスケール

→　比較的単純なポテンシャルの形状

ハイパー核の崩壊

 p ⁻

 n ⁰

n nn

p np

寿_{命 ~ 200 ps}