新たなハイパー原子核「グザイ・テトラバリオン」
－グザイ粒子の振る舞いを精密計算で解き明かす－

2020年3月3日
理化学研究所
九州大学
京都大学

発表概要

　理化学研究所（理研）仁科加速器科学研究センターストレンジネス核物理研究室の肥山詠美子室長（九州大学大学院理学研究院教授）、量子ハドロン物理学研究室の土井琢身専任研究員、理研数理創造プログラムの初田哲男プログラムディレクター、京都大学基礎物理学研究所の佐々木健志特任助教らの国際共同研究グループは、グザイ粒子^[1]1個と核子^[2]3個からなる新たなハイパー原子核（ハイパー核）^[3]「グザイ・テトラバリオン」の存在を理論的に予言しました。
　本研究成果は、どのようなハイパー核が存在しうるのかという物理学の根源的問題の解明につながるとともに、中性子星^[4]内部のような超高密度極限状態における物質構造の解明に貢献すると期待できます。通常の原子核は核子というバリオン^[5]から構成されていますが、グザイ（Ξ）粒子と核子からなるハイパー核については、どのような種類のものが存在するかほとんど分かっていませんでした。今回、国際共同研究グループは、クォーク^[6]の基礎理論「量子色力学（QCD）」^[7]に基づき、グザイ粒子と核子の間に働く力をスーパーコンピュータ「京」^[8]などを用いて明らかにしました。さらに、得られた力をもとに量子少数多体系^[9]の精密計算を行うことで、グザイ粒子1個と核子3個の計4個のバリオンからなる新たなハイパー核「グザイ・テトラバリオン」の存在を予言しました。

本研究は、科学雑誌『Physical Review Letters』の掲載に先立ち、オンライン版（3月4日付）に掲載されました。

※国際共同研究グループ
-理化学研究所　仁科加速器科学研究センター
　ストレンジネス核物理研究室
室長　　　　　　　　　　肥山　詠美子（ひやま　えみこ）
　　　　　　　　　　　　（九州大学大学院　理学研究院　教授）　　　　　　　　　　
　量子ハドロン物理学研究室
専任研究員　　　　　　　土井　琢身　（どい　たくみ）
客員研究員　 　　 　　　 宮本　貴也　（みやもと　たかや）
　数理創造プログラム
プログラムディレクター　初田　哲男　（はつだ　てつお）
　　　　　　　　　　　　（理研仁科加速器科学研究センター　量子ハドロン物理学研究室　室長）
-京都大学　基礎物理学研究所
特任助教　　　　　　　　佐々木　健志（ささき　けんじ）
　　　　　　　　　　　　（理研仁科加速器科学研究センター　量子ハドロン物理学研究室客員研究員）
-都留文科大学　文学部
名誉教授　　　　　　　　山本　安夫　（やまもと　やすお）
　　　　　　　　　　　　（理研仁科加速器科学研究センター　ストレンジネス核物理研究室客員研究員）
-ラドバウド大学（オランダ）　理論物理学研究所
名誉教授　　　　　　　　トーマス・ライケン（Thomas A. Rijken）

※研究支援
本研究は、文部科学省ポスト「京」重点課題 9「宇宙の基本法則と進化の解明」（統括責任者：青木慎也）、日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金・新学術領域研究（研究領域提案型）「第一原理計算から明らかにする階層構造の発現機構（研究代表者：肥山詠美子）」、同基盤研究（S）「クォークから中性子星へ：QCDの挑戦（研究代表者：初田哲男）」、同基盤研究（B）「ダブルストレンジネス核の精密構造研究とその相互作用の決定（研究代表者：肥山詠美子）」、同基盤研究（C）「格子QCDによるバリオン間相互作用の精密決定手法の研究（研究代表者：土井琢身）」および計算基礎科学連携拠点（JICFuS）による支援を受けて行われました。

くわしくは理化学研究所のプレスリリースをご覧ください。
https://www.riken.jp/press/2020/20200305_2/index.html

掲載論文

論文誌名：

Physical Review Letters

論文タイトル：

Possible Lightest Ξ Hypernucleus with Modern ΞN Interactions

著者：

E. Hiyama, K. Sasaki, T. Miyamoto, T. Doi, T. Hatsuda, Y. Yamamoto, Th. A. Rijken

DOI番号：

10.1103/PhysRevLett.124.092501

用語解説

[1]　グザイ（Ξ）粒子
ストレンジクォーク2個と、アップクォークもしくはダウンクォーク1個からなる粒子。ハイペロンと呼ばれるバリオンの一種である。クォークについては[6]、バリオン、ハイペロンについては[5]参照。
[2]　核子
陽子と中性子の総称で、通常の原子核を構成する。バリオンと呼ばれる粒子の一種である。
[3]　ハイパー原子核（ハイパー核）
原子核は、バリオンが複数個結合してできる粒子。通常の原子核は、陽子・中性子のみから構成されるが、ハイペロンと呼ばれるバリオンを含む原子核をハイパー原子核もしくはハイパー核と呼ぶ。
[4]　中性子星、超新星爆発
「中性子星」は、半径10km程度だが質量は太陽の1～2個分もある高密度天体。質量が大きな恒星が燃え尽きるときに起こす爆発現象を「超新星爆発」と呼び、中性子星はその爆発後に形成される。中性子星の内部はほぼ中性子から構成され、巨大な原子核のような星といえる。中心付近では1兆kg/cm³にも達する超高密度状態になっており、中性子以外にグザイ粒子などのハイペロンが出現する可能性があると考えられている。ハイペロンが出現すると中性子星の硬さが低下するため、なぜ重い中性子星が重力でつぶれてブラックホールにならないのか、大きな謎になっている。
[5]　バリオン、ハイペロン
3個のクォークが結合してできる粒子を「バリオン」と呼ぶ。陽子や中性子のほかに、ラムダ（Λ）粒子やシグマ（Σ）粒子、そして本研究で取り扱ったグザイ（Ξ）粒子などがある。陽子や中性子は、アップクォークもしくはダウンクォークから構成される。ラムダ、シグマ、グザイ粒子は、少なくとも1個のストレンジクォークを含み、このようなバリオンは「ハイペロン」と総称する。ハイペロンは寿命が短くすぐに崩壊してしまうため、通常の物質中には存在しないが、加速器で作り出すことができる。
[6]　クォーク
物質を構成する最も基本的な素粒子で、6種類のフレーバー（軽い方からアップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、ボトム、トップ）と3種類のカラー（赤、青、緑）を持つ。
[7]　量子色力学（QCD）
原子核を構成するクォークとその間に働く強い相互作用を媒介するグルーオンが従う物理法則であり、素粒子の標準理論の一部である。南部陽一郎博士（2008年ノーベル物理学賞受賞）が1965年にその原型を提唱した。量子色力学によれば、クォークは単体で存在できず、常に数個のクォークが集まって、バリオンなどの複合粒子を作ると考えられている。QCDはquantum chromodynamicsの略。
[8]　スーパーコンピュータ「京」、スーパーコンピュータ「富岳」
「京」は、文部科学省が推進する革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ（HPCI）の中核システムとして、理研と富士通が共同で開発を行ったスーパーコンピュータ。計算速度10ペタフロップス級の性能を持ち、1秒間に1京回（1兆の1万倍）の計算ができる。2012年に共用が開始され、2019年に終了した。「富岳」は、「京」の後継機として2014年より開発が行われているスーパーコンピュータ。計算速度400ペタフロップス級の性能、最大で「京」の100倍のアプリケーション実効性能を目指しており、2021年頃からの共用開始に向けて開発が進められている。
[9]　量子少数多体系
原子分子や原子核など、ミクロな粒子が量子力学の方程式に従って複数個相互作用しあう系を、量子多体系と呼ぶ。このうち、粒子数が5個程度以下の場合を量子少数多体系といい、粒子の振る舞いの精密な研究に適している。

問い合わせ先

＜発表者＞　※研究内容については発表者にお問い合わせください。
理化学研究所
仁科加速器科学研究センター　ストレンジネス核物理研究室　
室長　肥山 詠美子（ひやま えみこ）
（九州大学大学院理学研究院教授）
仁科加速器科学研究センター　量子ハドロン物理学研究室
専任研究員　土井 琢身（どい たくみ）
数理創造プログラム
プログラムディレクター　初田 哲男（はつだ てつお）
京都大学　基礎物理学研究所
特任助教　佐々木 健志（ささき けんじ）
E-mail：hiyama[at]riken.jp（肥山）

＜機関窓口＞
理化学研究所　広報室　報道担当
E-mail：ex-press[at]riken.jp

九州大学　広報室
E-mail：koho[at]jimu.kyushu-u.ac.jp

京都大学総務部広報課　国際広報室
E-mail：comms[at]mail2.adm.kyoto-u.ac.jp

※上記の[at]は@に置き換えてください。