中国北京航空航天大学の寺嶋知研究員、于蕾(ウィレイ)博士、大阪大学核物理研究センターの王惠仁(オンフイージン)特任講師(常勤)、谷畑勇夫特任教授らを中心とする国際共同研究グループ は、原子核から中性子を抜き去る実験手法(一中性子移行反応)を用い、酸素原子核内に強く相互作用している陽子中性子対を捉えることに成功しました。

本研究成果は、2018年12月12日（水）（日本時間）に米国科学誌「Physical Review Letters」に掲載されました。

物質を構成する原子の中心には原子核があります。原子核は陽子と中性子という2種類の粒子(核子と呼ぶ)からできており、これらの粒子間に強い力(核力 )が働きます。核力の中には、主に陽子と中性子の間に働き、2つの棒磁石の位置関係とそれぞれのNS極の方向によって働く力が変わるのと同じように、陽子と中性子の相対位置及びスピン向きによって性質が異なる （図1） 力成分が存在し、テンソル力と呼ばれます。テンソル力は主に湯川秀樹博士が予言したパイ中間子の交換によって生じる力で、原子核を束縛させる決定的な役割を担うことが知られていますが、原子核構造にどのように影響するか知られていませんでした。原子核内の核子は殆どの場合他の核子から平均化された力を受けながら、自由に動いて(自由粒子運動をして)いるため、通常の散乱実験では殆ど自由粒子運動をしている核子しか捉えません。

図1　上の棒磁石の場合と同様、テンソル力は核子（p：陽子、n：中性子）相対位置、核子スピン向きによって性質が異なる。

今回、寺嶋研究員と王特任講師らの研究グループはテンソル力が高い相対速度(高い相対運動量)を持つ陽子中性子対をもたらすという性質に着目し、大阪大学核物理研究センター にてテンソル力効果が特に顕著と予想される領域において実験を行い、強く相互作用する核子対を観測する新たな実験手法の開発に成功しました。実験では、光速の70%の速度まで加速された陽子ビームを氷標的に入射して標的内の酸素原子核から1個中性子を抜き去り、ビーム入射方向付近に放出される重陽子とその反対方向に飛び出てくる陽子を同時に測定しました （図2） 。その結果、抜かれた中性子と強く相互作用していた陽子を観測することに成功し、酸素原子核におけるテンソル力の効果を示す証拠を得ました。

図2　陽子ビームによる一中性子移行反応で原子核内の中性子・陽子対を「見る」
上の図は高速回転しているペアスケーター(中性子・陽子対)に左から接近する第3のスケーター(陽子ビーム)が女子スケーター(中性子)の速度に合わせることにより女子スケーターを引き受ける様子。下の図は実験の概念図。重陽子は大阪大学核物理研究センターの高分解能磁気分析装置を用い分析した後検出器で測定した。反跳陽子は反対方向に設置した検出器で測定した。(出典：トラン(大阪大学)、寺嶋(北京航空航天大学))

本研究成果は、酸素原子核におけるテンソル力の効果を実証したと同時に、テンソル力と原子核のエネルギー準位との結びつきを初めて示しました。陽子と中性子の数が大きく異なる原子核、特に不安定核 ではテンソル力効果が安定核と大きく異なり、また、テンソル力効果によって原子核魔法数 が変化することが予想されています。今後、この手法を不安定核への応用により、テンソル力の役割について定量的に理解し、エネルギー準位や魔法数を始めとする原子核構造、そして中性子星などの天体の内部構造の解明につながることが期待できます。

本研究成果は、2018年12月12日（木）（日本時間）に米国科学誌「Physical Review Letters」に掲載されました。
タイトル：“Dominance of Tensor Correlations in High-Momentum Nucleon Pairs Studied by (p,pd) Reaction”
著者名：S.Terashima, L.Yu, H.J.Ong, I.Tanihata, S.Adachi, N.Aoi, P.Y.Chan, H.Fujioka, M.Fukuda, H.Geissel, G.Gey, J.Golak, E.Haettner, C.Iwamoto, T.Kawabata, H.Kamada, X.Y.Le, H.Sakaguchi, A.Sakaue, C.Scheidenberger, R.Skibinski, B.H.Sun, A.Tamii, T.L.Tang, D.T.Tran, K.Topolnicki, T.F.Wang, Y.N.Watanabe, H.Weick, H.Witala, G.X.Zhang, and L.H.Zhu.

なお、本研究は、日本科学研究費助成事業基盤研究(S)(23224008)、基盤研究(A)(20244030)、中国自然科学基金11235002、11375023、11475014及び11575018号、中国国家重点基礎研究発展プログラム(2016YFA0400504)、ポーランド国立科学センター基金2016/22/M/ST2/00173及び2016/21/D/ST2/01120号、中国政府と中国北京航空航天大学・海外ハイレベル人材招致「千人計画」、ヒロセ国際奨学財団研究助成事業の支援を受けました。

1939年に重陽子の研究からテンソル力の重要性が提案されました。あれから78年が経ちましたが、原子核構造におけるテンソル力の役割は未だ謎のままです。本研究では、高運動量中性子移行という新しい切り口で、陽子による中性子移行反応という半世紀前に開発された「古い」実験手法を用いてテンソル力と原子核構造との結びつきという「古い」問題が解明できることを示しました。