前回に引き続き、2019年度の8号目のネイチャーのハイライトより。
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核物理学：EMC効果、再び
Nature 566, 7744
2019年2月21日
核物理学：EMC効果、再び
Nature 566, 7744
2019年2月21日
原子核内部に束縛された核子中のクォーク運動量分布は、自由核子のものとは異なる。EMC効果と呼ばれるこの現象は、まだ十分説明されていない。1つの研究方向では、EMC効果と短距離相関（SRC）状態（核子が重なり合って平均より強い相互作用を受け、結果として核子の内部構造が変形する状態）との関連性を仮定する。トーマス・ジェファーソン国立加速器施設（米国）のCLASコラボレーションは最近、重原子核中のSRC対に重点を置いた研究をNatureで報告した。今回CLASコラボレーションは、さまざまな原子核に対して、EMC効果とSRC存在比を同時に高い精度で測定した結果を報告している。この方法により、EMCデータは、中性子–陽子SRC対中の核子構造の普遍的な修正によって説明できることが示されている。実際に、著者たちは、この普遍的な修正関数をデータ主導で導出している。今回の研究によって、束縛された核子の内部構造は、ほとんどの場合修正されていないが、陽子と中性子が一時的にSRC対を作るとかなりの影響を受けるとするモデルに有利な新しい証拠が得られた。こうした知見は、EMC効果のさらなる理論研究を促すと予想される。
News & Views p.332
Letter p.354
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この論文はネイチャーのニュースにも取り上げられました。
日本語版本誌においては、「核物理学：原子核における中性子と陽子の変化の起源」と題されています。
見出しにおいては、「原子核内に束縛されていると、中性子や陽子の構造が修正される。今回、実験データによって、この現象の説明が示唆された。これは、核物理学に幅広い影響を及ぼす可能性がある。」とと取り上げられました。
フルテキストを直訳しますと・・・
中性子と陽子が核内で変更される理由
となり、見出しを直訳しますと・・・
粒子が原子核に結合すると、中性子または陽子の構造が変更されます。実験データは、核物理学に広い意味を持ちうるこの現象の説明を示唆しています。
となります。本文を直訳しますと・・・
1983年に、核子の内部構造（陽子または中性子）がその環境に依存することが発見されました[1]。つまり、空の空間での核子の構造は、原子核の内部に埋め込まれたときの構造とは異なります。しかし、精力的な理論的および実験的研究にもかかわらず、この修正の原因は不明のままでした。 Natureの論文で、CLAS Collaboration[2]はこの長年の問題に光を当てる証拠を提示しています。
核物理学の到来は、アーネストラザフォードの時代にさかのぼります。アーネストラザフォードは、1900年代初頭の物質によるα粒子（ヘリウム核）の散乱に関する実験で、原子の中心にコンパクトで密なコアを示しました[3]。それ以来、物理学者は原子核の構造とその構成要素のダイナミクスを理解するために取り組んできました。同様に、1960年代後半の核子自体がクォークと呼ばれる内部構成要素を持っているという啓示[4,5]以来、広範な研究がこのより深い基礎構造の研究に集中してきました。
何十年もの間、核内の核子は互いに構造的に独立しており、相互作用によって生成される平均的な核場によって本質的に影響を受けると一般に考えられていました。しかし、長引く疑問は、核内にあるときに核子が修飾されたかどうかでした。つまり、それらの構造が遊離核子の構造と異なっていたかどうかです。 1983年、スイスのジュネーブ近くにある素粒子物理学研究所CERNでの欧州ミュオンコラボレーション（EMC）による驚くべき発見が、そのような核子修飾の証拠を提供しました[1]。 EMC効果として知られる修正は、核に埋め込まれた核子内部のクォークの運動量分布の変動として現れました。この結果は、カリフォルニア州メンロパークのSLAC国立加速器研究所での実験[6,7]、およびバージニア州ニューポートニューズのトーマス・ジェファーソン国立加速器施設（ジェファーソン研究所）での実験によって検証されました[8]。
EMC効果の存在は現在確固として確立されていますが、その原因はとらえどころのないものです。現在の考え方は、2つの可能な説明を提供します。 1つ目は、平均的な核場のために、核内のすべての核子がある程度修正されることです。 2つ目は、ほとんどの核子が変更されていないことですが、特定の核子は、短期間で短距離相関（SRC）ペアと呼ばれるもので相互作用することで大幅に変更されます（図1）。現在の論文は、2番目の説明を支持する決定的な証拠を提供しています。
EMC効果は、電子が核や核子などの粒子系から散乱する実験で測定されます。電子エネルギーは、電子に関連付けられた量子力学的波が対象システムの寸法に一致する波長を持つように選択されます。核の内部を研究するには、1〜2 GeV（10億エレクトロンボルト）のエネルギーが必要です。核子などのより小さなシステムの構造を調べるには、深部非弾性散乱（DIS）と呼ばれるプロセスで、より高いエネルギー（より短い波長）が必要です。このプロセスは核子のクォーク部分構造の発見の中心であり、1990年にノーベル物理学賞を受賞しました[9]。
DIS実験では、散乱が発生する割合は、散乱断面積と呼ばれる量で表されます。 EMC効果の大きさは、電子が衝突するクォークの運動量の関数として、水素同位体重水素の核ごとの核ごとの断面積の比率をプロットすることによって決定されます。核子の変更がなければ、この比率は1の一定値になります。この比率が所定の核の運動量の関数として減少するという事実は、核内の個々の核子が何らかの形で変更されていることを示します。さらに、核の質量が増加すると、この減少がより急速に起こるという事実は、より重い核ではEMC効果が強化されることを示唆しています。
CLASコラボレーションは、ジェファーソンラボで取得した電子散乱データを使用して、EMC効果のサイズと特定の核内の中性子-陽子SRCペアの数との関係を確立しました。この研究の重要な特徴は、散乱断面積に対するSRCペアの効果を含む数学的関数の抽出であり、核から独立していることが示されています。この普遍性により、EMC効果と中性子と陽子のSRCペア間の相関関係が強力に確認されます。結果は、核子の修正が、すべての核子が平均核場によって修正される媒体の静的なバルク特性であるのとは対照的に、局所的な密度変動から生じる動的効果であることを示しています。
著者は、特定の理由で中性子と陽子のSRCペアに焦点を当てています。これらのペアは、中性子と中性子または陽子と陽子のペアよりも一般的であることが判明しています。この意味で、核子は等方性です。つまり、類似の核子は、異なる核子よりも対になる可能性が低くなります。したがって、中質量および重原子核における中性子と陽子の数の非対称性により、中性子と陽子のSRCペアを形成する確率は、陽子に対する中性子の比率が大きくなるにつれて増加しますが、これを行う中性子の確率は横ばいになる傾向がある[10]。 CLAS Collaborationは、この特定の機能を使用して、炭素より重い非対称原子核の陽子ごとと中性子ごとのEMC効果の明確な違いを示すことにより、結論を固めました。この区別がデータから直接現れるという事実は、核子修飾がSRCペアの形成から生じるという著者の解釈に対するさらなるサポートを提供します。
本研究の含意の1つは、重水素またはより重い原子核でのDIS実験からの遊離中性子について推定される情報は、核媒質中の中性子の変化を説明するためにEMC効果に対して補正する必要があるということです。別の結果は、ニュートリノまたはそれらの反粒子（反ニュートリノ）が非対称核から散乱する現在および将来の実験に関するものです。陽子と中性子は異なるクォーク組成を持ち、陽子は中性子よりも媒体内の修飾の影響が大きいため、ニュートリノと反ニュートリノの散乱断面積は、エキゾチックな物理学の効果に誤って起因する可能性のある変動を示すことがあります。素粒子物理学の標準モデルの欠陥、または宇宙における物質と反物質の間の非対称性を理解するための可能なメカニズムとして。そのような主張をする前に、陽子と中性子のEMC効果の違いを考慮しなければなりません。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：News & Views p.332
本論文においては、日本語版本誌では、「核物理学：対相関する陽子と中性子の修正された構造」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
相関ペアの陽子と中性子の修正構造
となり、Abstractを直訳しますと・・・
原子核は、陽子と中性子（核子）で構成されており、それ自体はクォークとグルオンで構成されています。原子核に結合した核子のクォークグルオン構造が周囲の核子によってどのように修正されるかを理解することは、大きな課題です。 EMC効果として知られるこのような修正の証拠は35年以上前に最初に観察されましたが、その原因について一般的に受け入れられている説明はまだありません[1,2,3]。最近の観測は、EMC効果が原子核[4,5]の近接近距離相関（SRC）核子ペアに関連していることを示唆しています。ここでは、EMC効果とSRCの存在量を同時に高精度に測定した結果を報告します。 EMCデータは、中性子と陽子のSRCペアの核子構造の普遍的な修正によって説明できることを示し、対応する普遍的な修正関数のデータ駆動型抽出を提示します。これは、陽子よりも中性子が多い重い原子核では、各陽子が各中性子よりもSRCペアに属し、クォーク構造が歪んでいる可能性が高いことを意味します。この普遍的な修正関数は、自由中性子の構造を決定し、それによって量子色力学の対称性を破るメカニズムをテストするのに役立ち、ニュートリノ実験での核物理効果と標準を超えるモデル効果を区別するのに役立ちます。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Letter p.354
Data availabilityによりますと・・・
この実験の生データは、ジェファーソン研究所の大容量ストレージサイロにアーカイブされます。
究極に溜まりに溜まったネイチャー。次回は、「量子物理学：導波路と結合した単一の原子集団励起」を取り上げます。
※我が家のにゃんこの喉風邪はだいぶんよくなりましたが、主人の喉風邪がまだ治っておらず、私も喉風邪気味ということで、巡回等が大変遅れております。申し訳ございません。
