「ヘリウム原子核の攻撃」：低エネルギー原子核理論への新たな挑戦

ヘリウム原子核（アルファ粒子）は物理学者に最もよく知られている原子核の 1 つです。物理学者は当初、アルファ粒子の散乱実験を通じて原子核の存在を証明しました。しかし、私たちはまだそれを完全に理解していません。最近の電子とヘリウム原子核の散乱実験で、研究者らはヘリウム原子核の最初の励起状態の電気的形状係数が理論予測とは大きく異なることを発見した。

著者：江 立佳（ノースウェスタン大学物理学部）

最近、科学者たちはマインツマイクロビーム加速器（MAMI）で電子とヘリウム原子核の非弾性散乱を通じて、ヘリウム原子核の基底状態から第一励起状態への単極遷移の形状因子を測定しました。しかし、科学者たちが、原子物理学で非常に成功したカイラル有効理論を使用して、この一見単純な実験測定を説明しようとしたとき、大きな逸脱が生じました。なぜこの問題が発生するのでしょうか?それは理論上の誤差によるものでしょうか、それとも実験上の誤差によるものでしょうか?

共鳴状態: 原子核の励起状態

原子核には陽子と中性子の2種類の核子があり、核子間には強い相互作用があります。電子のエネルギーレベルと同様に、原子核にも異なるエネルギーレベルがあります。原子核は、一定量のエネルギー（光子またはその他の粒子の形で）を吸収または放出することにより、異なるエネルギーレベル間の遷移を実現できます。遷移の種類の 1 つに単極遷移があり、これは原子核の量子数は変化しないが電荷分布が変化する遷移を指します。

ヘリウム原子核はアルファ粒子としても知られ、2 つの陽子と 2 つの中性子で構成されており、最も広く研究されている原子核の 1 つです。図 1 に示すように、MAMI で実行されるヘリウム原子核との電子衝突による非弾性散乱プロセス中に、ヘリウム原子核は基底状態モノポールから分裂閾値 (19.8 MeV) に遷移します。直感的には、分裂閾値を超えてもまだ存在するこの種の励起状態は少し奇妙に思えますが、原子核物理学の分野では非常に一般的であり、共鳴状態と呼ばれることがよくあります。

このタイプの単極遷移によって生成される共鳴状態を研究することは、原子核を理解する上で非常に重要です。一方で、ヘリウム原子核のこのような励起状態を理論的に説明できるでしょうか。それは 4 つの原子核サブシステムの集合的な励起状態なのでしょうか。それとも陽子と水素3原子核で構成された準分子状態なのでしょうか?現時点ではまだ不明です。同時に、共鳴状態自体の測定は、原子核を調査し、理論的には一見「弱い」相互作用（摂動論における高次項）が実際に無視できるかどうかを検出するための「拡大鏡」として機能します。一方、単極遷移によって生成される励起状態を測定することによって、核物理学の状態方程式における重要なパラメータである非圧縮性（つまり、密度変化下での核物質の剛性）も抽出することができ、科学者が中性子星の合体などの新しい現象をよりよく調査するのに役立ちます。

核力を説明する効果的な理論

核子間の相互作用は強い相互作用によって支配されており、原理的には量子色力学 (QCD) によって記述できます。しかし、核子の結合エネルギーが存在する低エネルギースケール（約数十 MeV）では、QCD は非摂動論的であり、核現象を説明するのに使用するのは困難です。 QCD理論を原子核システムに適用するにはどうすればよいでしょうか?

カイラル有効場理論 (χEFT) の概念の導入は、低エネルギー原子核物理学の分野における大きな進歩です。 S. ワインバーグは 1990 年に初めて χEFT の理論的枠組みを開発しました。低エネルギーでは、クォークは核子に閉じ込められ、システムの唯一の有効な自由度は中間子とハドロンであり、中間子は核子間の相互作用を媒介します。これに基づいて、有効ハミルトニアンと相互作用ポテンシャルを構築できます。現在、χEFT は、2 核 (NN)、3 核 (3N)、さらにはより多くの核子の場合を含むさまざまな核システムに広く適用され、成功を収めています。

電気フォームファクタ

χEFT の枠組みでは、4 つの核子を持つヘリウム原子核の基底状態エネルギーを非常に正確に計算できます。しかし、基底状態のエネルギーは核子相互作用の詳細にはあまり敏感ではありません。理論的に構築された核ハミルトニアンをより厳密にテストするために、

新しい実験で精度が向上

フォームファクターのサイズ。当時の理論計算は束縛状態に限定されていたため、形状係数をうまく計算することができませんでした。 2013年頃、ようやく連続体効果を理論的に考慮できる技術が開発され、χEFTや現象論的モデルに基づく計算が実験データと大きく異なることが判明しました。しかし、初期の実験データの精度が低く、誤差範囲が大きいため、これについて確固たる結論を導き出すことはできません。

アルミニウムチャンバー壁での電子散乱によって引き起こされるバックグラウンド寄与を慎重に考慮しました。このバックグラウンドを除去するために、研究者らは反応室内のヘリウム密度を極めて低いレベルまで下げ、別途測定を行った。この処理により、エラーバーが大幅に減少しました。

図 2 に示すように、新しい高精度形状係数データは基本的に以前の実験データと一致していますが、現在の低エネルギー核物理理論 (χEFT で表される) の予測は、傾向的には実験データと類似しているものの、実験データを定量的に説明することはできません。特に、χEFT によって計算された結果は、実験データのほぼ 2 倍になります。

実験測定誤差は非常にうまく制御できることを考えると、理論計算と実験データの間の不一致は、核励起状態を記述する際に、核子相互作用の一見弱い寄与の一部が単極遷移プロセスで増幅される可能性があることを示唆しています。 χEFTはNNNLOにまで発展したが、α粒子の第一励起状態を説明するために、

この状態の励起エネルギー（20.2 MeV）は、ヘリウム原子核の二体核分裂閾値（19.8 MeV）と密接に関係しています。

理由が何であれ、非常に興味深く、さらなる研究を促します。

参考文献

[1] S. Bacca他「アルファ粒子の等スカラー単極共鳴：核ハミルトニアンのプリズム」Phys.レット牧師110、042503（2013）。

[2] S. Kegel他「-粒子モノポール遷移形状因子の測定は理論に挑戦：核力の低エネルギーパズル？」物理。レット牧師130、152502（2023）。

[3] http://physics.aps.org/articles/v16/58#c1

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