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中性子で迫る宇宙創成の謎

 
大強度偏極熱外中性子で、原子核内での対称性の破れの増幅現象に迫る

公開日:2020.07.15

 

研究成果 理学

 九州大学先端素粒子物理研究センターの吉岡瑞樹准教授、九州大学大学院理学府の古賀淳大学院生、高田秀佐大学院生、牧瀬壮元大学院生、国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学(総長松尾清一、以下「名古屋大学」という)大学院理学研究科の山本知樹大学院生、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(理事長 児玉敏雄、以下「原子力機構」という)J-PARCセンターの奥平琢也博士研究員らの研究グループは、スピンの揃った(偏極した)中性子を原子核が吸収した時に放出するガンマ線を測定したところ、その放出方向に偏りが存在し、その偏りが中性子のスピン方向に依存して変化することを世界で初めて発見しました。

 我々の住む宇宙は「物質」がほとんどで、「反物質」はほとんど存在しません。その理由として「CP対称性の破れ」が提唱されています。しかし、物質世界を説明できる「CP対称性の破れ」を表す現象はまだ見つかっていません。
 素粒子原子核反応では、P対称性が破れていることが知られています。原子核が中性子を吸収する反応では、核子同士に働くP対称性の破れよりも100万倍も大きなP対称性の破れが実験的に観測されています。この非常に大きな「P対称性の破れ」は、原子核を構成している核子間で働く小さな「P対称性の破れ」が原子核内で非常に大きく増幅された結果であるというモデルがあります。「P対称性の破れ」の増幅現象のメカニズムを明らかにすることで、「CP対称性の破れ」の謎の解明につながることが期待されます。

 そこで本研究では、「P対称性の破れ」の増幅現象のメカニズムの検証のために、原子核の偏極中性子吸収反応に伴う、ガンマ線の放出方向の分布を測定する実験を行いました。
 中性子の偏極には、J-PARCで開発した偏極装置(³Heスピンフィルター)を用いました。物質・生命科学実験施設(MLF)の中性子ビームライン(BL04、ANNRI)で、偏極熱外中性子ビームを原子核に照射したところ、偏極した中性子を吸収した原子核から放出されるガンマ線の放出方向に偏りがあること、その偏りがスピンの向きによって変化することを世界で初めて発見しました。

 この実験で得られたガンマ線の放出方向と、「P対称性の破れ」の増幅現象のメカニズムのモデルが予測する放出方向の偏りを比較することで、モデルの検証を行うことが可能となります。また、モデルの検証結果をもとに、原子核内での対称性の破れの増幅現象のメカニズムが解明されることが期待されます。
 今後、「CP対称性の破れ」の増幅現象のメカニズムを解明することで、宇宙創成の謎に迫ることも期待されます。

 本成果は、アメリカの物理学会誌「Physical Review C」のオンライン版に6月25日に掲載されました。

図1 ガンマ線検出器の上流に設置した偏極装置(3Heスピンフィルター)

論文情報

Transverse asymmetry of γ rays from neutron-induced compound states of 140La ,Physical Review C,
10.1103/PhysRevC.101.064624

研究に関するお問い合わせ先

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