かつて湯川秀樹は、原子核を構成する力である「核力」として、陽子と中性子の間に働く二体力を提唱しました。今は、重たい中性子星や中性子過剰なエキゾティック原子核を理解するために必要なインプットとして、「三体力」と呼ばれる核力の情報が求められています。今回、東北大学大学院理学研究科 関口仁子准教授、渡邉跡武特任助教らによる共同研究グループは、陽子とヘリウム3原子核の高精度散乱実験を行い、実験的な証拠を掴むのが難しいとされてきた三つの陽子の間に働く三体力にアプローチする手法の開発に成功しました。本研究は、同グループが開発した偏極ヘリウム3装置と東北大学サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター、大阪大学核物理研究センター、理化学研究所小型中性子源の各加速器施設を駆使して展開されました。

研究成果は、米国物理学会誌Physical Review Cの注目論文（editors’ suggestion）に選ばれ、令和3年4月12日（米国東部時間）にオンライン公開されました。

原子核は陽子と中性子で構成される物質です。湯川秀樹が提唱した原子核を構成する力（核力）は、陽子と中性子の二体間に働く二体力として理解されてきました。近年、この二体力だけでは原子核そのもの、また原子核が深く関与する宇宙・天文の諸現象を説明することができず、三つの陽子・中性子間に働く「三体力」が極めて重要な役割を果たすことが明らかになってきました。特に三つの陽子間、または三つの中性子間で働く三体力（T=3/2型三体力）は、2010年以降に発見されている重たい中性子星の説明や、超新星などの天体現象で短時間の間に大量に多種生成されるエキゾティック原子核の理解に欠かせない核力として注目されており、現在、実験による直接的な証拠が待たれています。

本研究では、T=3/2型三体力にアプローチする手法として陽子とヘリウム3原子核（陽子数2、中性子数1）による散乱（p-³He散乱）に注目しました（図1）。この散乱では三つの陽子が瞬間的に相互作用することが期待されます。高精度に測定した実験結果と二体力のみを考慮した厳密理論計算との比較を行ったところ、断面積σが最小値となる散乱角度付近では理論計算が実験値を説明できないことがわかりました（図2）。同じ現象は、三体力のもう一つの成分であるT=1/2型三体力が主要成分として働く重陽子（陽子数1、中性子数1の原子核）と陽子の散乱（d-p散乱）でも確認されています。d-p散乱では、Δ(デルタ)励起を伴う三体力によって実験値との不一致が改善されることが知られています。ところが、今回測定したp-³He散乱ではΔ励起の効果は殆ど効かないことが判明しました（図2）。以上の結果と考察から、p-³He散乱はd-p散乱ではアプローチできない三体力、つまりT=3/2型三体力にアプローチする有効な散乱であるという結論を得ました。

図1. 陽子とヘリウム3原子核（陽子数2、中性子数1）による散乱（p-³He散乱）の模式図（赤い球が陽子、黄緑の球が中性子）。

図2. 今回測定したp-³He散乱の断面積の散乱角度分布。赤い点が実験値。測定誤差は点の大きさより小さい。黒実線が二体力のみを考慮した理論計算。断面積が最小値となる角度で実験値と理論計算に顕著な差が見られる。p-³He散乱ではΔ励起を伴う三体力の効果（図の破線）は小さい。

p-³He散乱実験は、東北大学サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター（図3）、及び大阪大学核物理研究センター・リングサイクロトロン施設（図4）の両加速器施設で得られる陽子ビームを用いて行いました。本研究には東北大学と高エネルギー加速器研究機構が共同で開発した³He原子核のスピンを特定の方向に制御する装置を用いています。同装置のスピン制御能力の評価には、「理研小型中性子源システムRANS（ランズ）」の熱中性子ビームを利用しました。独自の装置開発と各実験施設の汎用性（東北大学）、及び特異性（大阪大学核物理研究センター、理化学研究所）を活かし、三体力の情報を引き出しうる高精度な実験値の取得に成功しています。

図3. 東北大学サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター施設の様子。（2017年6月）

図4. 大阪大学核物理研究センター・リングサイクロトロン施設の様子。（2017年12月）

原子核から中性子星まで、これらを統一的に理解する極めて予言能力の高い核力の完成に向けた重要なステップとなります。