[論文レビュー] Extension of the J-PARC Hadron Experimental Facility - summary report -

Hiroyuki Fujioka, K. Hicks+19 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、新しいHIHRビームラインを用いて高精度なハイパーヌクレオスペクトロスコピーを可能にするJ-PARCハドロン実験施設の拡張を提案し、$λ$-ハイパーヨン結合エネルギーを0.1 MeV未塔の精度で測定することを目的としている。密度の高い核物質における三体バリオン力の寄与を調べることで、ハイパーヨンの存在による状態方程式の軟化が原因で崩壊すると予測される理論的モデルと、実際に観測された2太陽質量までの重力レンズ効果を持つ中性子星との間に生じる矛盾、いわゆる「ハイパーヨンパズル」を解明することを目的としている。

ABSTRACT

The committee for the study of the extension of the Hadron Experimental Facility was formed under the Hadron Hall Users' Association in August, 2015. This document is a summary of the discussions among the committee members, and documented by a part of the members listed below.

研究の動機と目的

• 観測された2太陽質量の中性子星と、ハイパーヨンによる状態方程式の軟化が原因で崩壊すると予測する理論的モデルとの間に生じる不一致、すなわち「ハイパーヨンパズル」を解消すること。
• 特に中性子星の核において、三体反発的バリオン力が高密度核物質に与える影響を調査すること。
• 三体力に起因する微小な効果を検出可能な精度で、ハイパーヌクレウスにおける$λ$-ハイパーヨン結合エネルギーを測定する精度を向上させること。
• 新しいHIHRビームラインを用いて、軽量ハイパーヌクレウス（A ~ 10）から重量ハイパーヌクレウス（A > 200）への高精度スペクトロスコピーを拡張すること。
• 実験的に三体相互作用を制約することで、高密度ハドロン物質の状態方程式を再考する基盤を構築すること。

提案手法

• 拡張されたJ-PARCハドロン実験施設に設置された新しいHIHRビームラインを活用し、高強度で低運動量の$π^-$ビームを生成すること。
• 分散マッチング技術を適用することで、ハイパーヌクレオスペクトロスコピーにおいて0.1 MeV未塔のエネルギー分解能を達成すること。
• 既存のメソンビーム技術と比較して、ハイパーヌクレウスにおける$λ$-ハイパーヨン結合エネルギーの測定精度を向上させること。
• 質量数A ~ 10からA > 200の範囲にわたり、ハイパーヌクレウスを体系的に研究することで、密度依存効果を調べること。
• 実験的結合エネルギーのずれと理論的モデルを比較し、三体反発的力の存在を検証すること。
• 高精度なデータを用いて、高密度ハドロン物質の状態方程式を制約し、それが中性子星の最大質量に与える影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオン相互作用に三体反発的力が存在する場合、観測された2太陽質量の中性子星を説明できるか？
• RQ2 重いハイパーヌクレウス（A > 200）の高精度スペクトロスコピーにより、三体力に起因する0.5 MeVの$λ$-ハイパーヨン結合エネルギーのずれを検出できるか？
• RQ3 三体力は、中性子星の核における高密度核物質の状態方程式をどの程度変化させるか？
• RQ4 $YNN$三体力が含まれるモデルの予測と比較して、ハイパーヌクレウスにおける実験的結合エネルギー測定値はどのように一致するか？
• RQ5 三体反発的力の導入によってハイパーヨンパズルが解消できるのか、それとも、クォーク物質の共存といったよりエキゾチックな物理学を示唆するのか？

主な発見

• J-PARCに設置される新しいHIHRビームラインにより、エネルギー分解能が0.1 MeV未塔のハイパーヌクレオスペクトロスコピーが可能となり、現在の技術の10倍の性能向上が達成される。
• $λ$-ハイパーヨン結合エネルギーの高精度測定により、三体反発的力モデルが予測する0.5 MeV未塔のずれを検出可能となる。
• 重いハイパーヌクレウス（A > 200）の体系的スペクトロスコピーが、高密度核物質における三体力の役割を検証するための重要なデータを提供する。
• 2太陽質量の中性子星の観測事実が、二体力とハイパーヨンのみを含む従来のモデルと矛盾することから、新たな物理学の必要性が浮き彫りになる。
• 三体反発的力が確認された場合、中性子星の重力的崩壊を安定化させる要因となり、ハイパーヨンパズルが解消される可能性がある。
• 三体力がパズルを解消しない場合でも、データはハドロン物質とクォーク物質の共存といった代替的状況を制限する手がかりを提供する。