ExperimentalParticlePhysics

NOP group

非常にエネルギーの低い中性子(数neV〜数meV)を利用した実験で素粒子現象の研究を行なっています。
以下の4つの実験を茨城県にある大強度陽子加速器施設(J-PARC)物質生命科学施設(MLF)で行っています。

NOPLOGO MLF NeutronEnergy

中性子寿命測定

陽子と共に原子核を構成する核子である中性子は、単独でいる場合約880秒の平均寿命で陽子・電子・反電子ニュートリノへと崩壊します。
中性子寿命は、クォーク同士の転換を表すCKM行列(Cabibbo-Kobayashi-Maskawa)の要素の一つであるVudの値に関わる重要な値です。
また、宇宙初期のビッグバン元素合成理論における元素合成量に影響を与える値でもあります。
これまで行われてきた2種類の方法『ペニングトラップ法』と『貯蔵ボトル法』ではその手法毎に結果が二分しています。
そこで、NOPグループは加速器で作る大強度の中性子源を使用してこれまでと異なった新たな手法を用いた中性子寿命測定に取り組んでいます。
荷電粒子のエネルギーと飛跡情報を測定できるTime Projection Chamber(TPC)と呼ばれるガス検出器で、飛行中に崩壊した中性子を測定して求めています。
Apparatus BetaDecay nLifeHistory

CP対称性の破れ

粒子には、対を成す反粒子と呼ばれるものが存在します。
反粒子はその粒子と電荷の符号が逆で質量やスピンは同じという性質を持っており、
粒子と反粒子が衝突すると消滅し自身の質量をエネルギーへと変換します(対消滅)。
一方で、粒子と反粒子がエネルギーから対になって生成される現象も存在します(対生成)。

ビッグバン直後の宇宙は非常に高エネルギーの状態であるため、粒子・反粒子が対で生成されその数は常に等しいと考えられます。
しかし、現在の宇宙は反粒子に比べ粒子の数が圧倒的に多く存在しています。
これは粒子と反粒子の性質の間に僅かな違いがあるためと考えられ、その違いは「CP対称性の破れ」と呼ばれています。
これまで、CP対称性の破れはK中間子やB中間子の崩壊事象を観測することによって発見されており、これは小林・益川両博士が提唱した理論によって説明が成されています。
しかし、既に発見されたCP対称性の破れのみでは粒子が支配する現在の宇宙を説明するのには不十分であるため、 我々の知らない新物理がもたらすCP対称性の破れが存在するのではないかと言われています。
九州大学では、この未知のCP対称性の破れについて中性子を利用した探索を目指す2つの実験に取り組んでいます。

複合核を利用したCP対称性(時間反転対称性)の破れ

原子核に中性子を入射すると別種の原子核へと変化します。
このような核反応において、原子核内の各核子が入射中性子のエネルギーを少しずつ分配して受け取る場合があります。
この場合、一つの核子が偶然多くのエネルギーを受け取って原子核ポテンシャルの束縛を逃れたり、核子がγ線を放出し得るエネルギーを持つまでに比較的長い時間を要します。
このように核反応の中間状態が長く持続することで、ある種の原子核として見ることができ、これを複合核と呼びます。

ある物理現象を空間反転(鏡像反転)した際に、反転する前と同じ物理現象を示すことを空間反転対称性(パリティ対称性)と呼びます。
原子核反応においてはこの空間反転対称性が破れていることがわかっていますが、 複合核状態では、介さない場合に比べて最大106倍も空間反転対称性の破れが増幅される現象が知られています。
次の図は、これまでに発見されている様々な原子核での空間反転対称性の破れを示しています。この増幅効果がCP対称性(または時間反転対称性)の破れにも現れる可能性が指摘されており、
九州大学ではこの発見に向けた実験を行うべく研究を行っています。
parity asymmetry

中性子電気双極子モーメントの探索

自然界の時間反転対称性は粒子・反粒子の違いを表すCP対称性と直接的に関係しています。
CP対称性の破れは既に確認されているため、時間反転対称性も破れていることが考えられます。
この時間反転対称性を検証する有力な実験手法として中性子電気双極子モーメント(nEDM)と呼ばれる中性子内部の電荷の偏りに相当する量があります。
今日までにnEDMが有限の値を持つことは確認されておらず、nEDM値の決定は素粒子物理学の最重要課題の一つです。
このnEDMを、中性子光学を駆使して精密に検証していきます。
Apparatus nEDM

重力の逆二乗則の検証

自然界に存在する4つの力の内、重力相互作用は極端に小さく、他の相互作用に比べて検証が進んでいません。
この重力の弱さを説明する理論モデルとして「大きな余剰次元モデル」が議論されています。
面白いことに、これらのモデルでは重力法則が皆さんの知っている逆二乗則からズレることが予言されています。

中性子は電荷を持たず、分子間力の影響を受けにくいなど、重力以外の相互作用を大きく抑制することが可能です。
この特徴を活かして、非常に近距離(〜nm)における重力相互作用の働き方を中性子散乱を通して検証しています。

Formula Scattering

Bi-weekly meeting

リンク

中性子光学グループ(NOP)ホームページ
J-PARC ホームページ