平成23年度 原子核物理学

ハドロンと原子核

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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

ハドロン：　強い相互作用を行う粒子



=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), ...

陽子と中性子の磁気モーメント

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

霧箱

鉛の板

奇妙な粒子の発見

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）

代表的なハドロン

・　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

奇妙な粒子の奇妙な特徴

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

奇妙さ：　ストレンジネス

Particle Data Book 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）

Y =BS

Q =I

 ¹

2 ^Y

荷電多重項に属する粒子の電荷

超電荷： hypercharge

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

ハドロン多重項

n







p







Y =S 1

Q=I

 ^Y

2

-1 0 +1

+1

-1

Y =S

-1 0 +1

+1

-1





K

K 





K

K



' ^Q=I

^

Y

2

Y =S 1

-1 0 +1

+1

-1

Q=I

 ^Y

2





















Y =1

-1 0 +1

+1

-1

Q=I

 ^Y

2

K

K











K

_K ^

SU(3)群による表現

ゲルマン・ツバイク(1964)

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}

ハドロンのクォーク模型

1969年　マレー・ゲルマン

素粒子の分類およびその相互作用に関する発見

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

ハドロンのクォーク模型

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

ハドロンのクォーク模型

Particle Data Book より

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

クォークは何種類?

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： 11月革命

SLAC: バートン・リヒター

e

 e

 J /  hadrons

粒子の崩壊する様子から

Ψ ^中間子

の名前がついたとかつかないとか

J/ψメソン：　チャーモニウム

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

J/ψメソンの発見

ジェイ・プサイ粒子　（チャーモニウム）

c c

e

e

c

 c

J /

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

1976年　バートン・リヒター、サミュエル・ティン

ジェイプサイ中間子の発見

フェルミ国立加速器研究所 (FNAL)

ボトムクォークとトップクォークの発見 フェルミ国立加速器研究所

ボトムクォーク・ボトニウムの発見

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

e

e

b

̄ b

Υ

ϒメソンの発見

フェルミ国立加速器研究所 (FNAL)

テバトロン

トップクォークの発見: 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}

３世代・6種類のクォーク

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}