K中間子水素のソースを表示

'''K中間子水素'''（Kちゅうかんしすいそ、{{Lang-en-short|kaonic hydrogen}}）は、負の[[電荷]]を持った[[K中間子]]と[[陽子]]が束縛された[[エキゾチック原子]]である。

[[水素原子]]の[[電子]]と陽子は、[[電磁相互作用]]（[[クーロン力]]）のみで束縛されている。一方、K中間子と陽子の束縛状態の場合、2つの粒子は[[ハドロン]]であるから、クーロン力による引力だけでなく、[[強い相互作用]]の影響も受けることになる。このため、K中間子水素に関する実験は強い相互作用の性質を知るために重要である。

実験において、K中間子水素は[[粒子加速器]]によって生成したK中間子を水素標的中で静止させることで作られる。生成したK中間子水素は[[励起状態]]であり、これが脱励起して[[基底状態]]へ落ちる際に放出される[[X線]]を観測することで、強い相互作用の影響による[[エネルギー準位]]のずれやその[[粒子崩壊|崩壊幅]]を測定することができる。K中間子水素は非常に短い寿命の[[準安定状態]]であり、寿命に対応する崩壊幅は、およそ500[[電子ボルト|eV]]である。

K中間子水素の研究と関連して、K中間子重水素やK中間子ヘリウムなどの'''K中間子原子核'''の研究も注目されている。

==歴史==
K中間子水素はK中間子と陽子の束縛状態であり、クーロン力による引力で引き合っているだけでなく、[[強い相互作用]]の影響を少なからず受けているはずである。このときの強い相互作用、すなわち、K中間子と陽子との間に働く相互作用（{{粒子の記号|反K}}N相互作用、ここで{{粒子の記号|反K}}は{{粒子の記号|K-}}あるいは{{粒子の記号|反K0}}、Nは[[核子]]の意味）が、引力的であるか斥力的であるかという問題は、[[ハドロン物理学]]において古くから知られた未解決問題だった。

1970-80年代に3つのグループによって行われた、K中間子水素から放出されるX線を測定する実験<ref>
{{cite journal
 |last1=Davies |first1=J.D.
 |coauthors=''et al.''
 |title=Observation of kaonic hydrogen atom X-rays
 |year=1979
 |journal=Physics Letters B
 |volume=83 |issue=1 |pages=55-58
 |doi=10.1016/0370-2693(79)90887-6
 |bibcode=1979PhLB...83...55D
}}</ref><ref>
{{cite journal
 |last1=Izycki |first1=M.
 |coauthors=''et al.''
 |title=Results of the search forK-series X-rays from kaonic hydrogen
 |year=1980
 |journal=Z. Phys. A
 |volume=297 |issue=1 |pages=11-15
 |doi=10.1007/BF01414238
}}</ref><ref>
{{cite journal
 |last1=Bird |first1=P.M.
 |coauthors=''et al.''
 |title=Kaonic Hydrogen atom X-rays
 |year=1983
 |journal=Nuclear Physics A
 |volume=404 |issue=3 |pages=482-494
 |doi=10.1016/0375-9474(83)90272-5
}}</ref>では、強い相互作用による正のエネルギーシフトが観測された。この結果は、{{粒子の記号|反K}}N相互作用が斥力的であることに対応している。一方で、K中間子と陽子の低エネルギー[[散乱]]実験のデータは、{{粒子の記号|反K}}N相互作用が引力的であることを示唆していた。2つの実験結果の矛盾は、'''K中間子水素パズル'''（kaonic hydrogen puzzle）と呼ばれ、30年近く未解決のままであった。

1997年、日本の[[高エネルギー加速器研究機構]]における'''KEK PS-E228実験'''によって、負のエネルギーシフトが観測された結果<ref name=E228>
{{cite journal
 |last1=Iwasaki |first1=M.
 |coauthors=''et al.''
 |title=Observation of Kaonic Hydrogen K<sub>α</sub> X Rays
 |year=1997
 |journal=[[Physical Review Letters]]
 |volume=78 |issue=16 |pages=3067–3069
 |doi=10.1103/PhysRevLett.78.3067
 |arxiv=
}}</ref>が初めて報告され、{{粒子の記号|反K}}N相互作用は引力的であると結論付けられた。それ以前まで行われていた実験では、標的として[[液体水素]]が用いられていたが、KEK PS-E228実験では、X線の収量を上げるために、低密度の標的として気体の水素を使うという改善を行った。

その後、イタリアの[[DAFNE]]による'''DEAR実験''' (DAΦNE exotic atom research)では、より高精度の実験が為され、KEK PS-E228実験と比べて2倍の精度の結果を得ることに成功した<ref name=DEAR>
{{cite journal
 |last1=Beer |first1=G.
 |coauthors=''et al.''
 |title=Measurement of the Kaonic Hydrogen X-Ray Spectrum
 |year=2005
 |journal=[[Physical Review Letters]]
 |volume=94 |issue=21 |pages=212302
 |doi=10.1103/PhysRevLett.94.212302
 |arxiv=
}}</ref>。DAFNEによる実験研究はさらに継続され、2011年には、'''SIDDHARTA実験'''（SIlicon Drift Detectors for Hadronic Atom Research by Timing Application）から、より詳細な結果が報告されている<ref name=SIDDHARTA>
{{cite journal
 |last1=Bazzi |first1=M.
 |coauthors=''et al.''
 |title=A New Measurement of Kaonic Hydrogen X rays
 |year=2011
 |journal=Physics Letters B
 |volume=704 |issue=3 |pages=113-117
 |doi=10.1016/j.physletb.2011.09.011
 |arxiv=1105.3090
}}</ref>。

==理論==
Deser-Trueman公式<ref>
{{cite journal
 |last1=Deser |first1=S. 
 |last2=Goldberger |first2=M.L.
 |last3=Baumann |first3=K.
 |last4=Thirring |first4=W. E.
 |title=Energy Level Displacements in Pi-Mesonic Atoms
 |year=1954
 |journal=[[Physical Review]]
 |volume=96 |issue=3 |pages=774–776
 |doi=10.1103/PhysRev.96.774
}}</ref><ref>
{{cite journal
 |last1=Trueman |first1=T.L.
 |title=Energy level shifts in atomic states of strongly-interacting particles
 |year=1961
 |journal=Nuclear Physics
 |volume=26 |issue=1 |pages=57–67
 |doi=10.1016/0029-5582(61)90115-8
}}</ref>によると、K中間子水素の[[基底状態]]（1s状態）についての強い相互作用によるエネルギーシフトε<sub>1s</sub>と崩壊幅Γ<sub>1s</sub>には以下の関係が成り立つ。
:<math>\epsilon_{1s} + i\frac{\Gamma_{1s}}{2} = 2 \alpha^3 \mu^2 a_{K^- p}</math>
ここで、αは[[微細構造定数]]、μはK<sup>-</sup>p系の[[換算質量]]、<math>a_{K^- p}</math>はK<sup>-</sup>とpの[[散乱長]]である。実験によってε<sub>1s</sub>とΓ<sub>1s</sub>が測定されれば、上式を用いてK中間子と陽子の散乱長が求まり、{{粒子の記号|反K}}N相互作用を知ることができる。

==実験結果==
KEK PS-E228実験<ref name=E228></ref>、DEAR実験<ref name=DEAR></ref>、SIDDHARTA実験<ref name=SIDDHARTA></ref>から報告されたK中間子水素の基底状態（1s状態）における強い相互作用によるエネルギーシフトε<sub>1s</sub>と崩壊幅Γ<sub>1s</sub>の実験値は以下の通りである。

===KEK PS-E228実験（1997年）===
:<math>\epsilon_{1s} = -323 \pm 63 \mathrm{(stat)} \pm 11 \mathrm{(syst) eV}</math>
:<math>\Gamma_{1s} = 407 \pm 208 \mathrm{(stat)} \pm 100 \mathrm{(syst) eV}</math>
===DEAR実験（2005年）===
:<math>\epsilon_{1s} = -193 \pm 37 \mathrm{(stat)} \pm 6 \mathrm{(syst) eV}</math>
:<math>\Gamma_{1s} = 249 \pm 111 \mathrm{(stat)} \pm 30 \mathrm{(syst) eV}</math>
===SIDDHARTA実験（2011年）===
:<math>\epsilon_{1s} = -283 \pm 36 \mathrm{(stat)} \pm 6 \mathrm{(syst) eV}</math>
:<math>\Gamma_{1s} = 541 \pm 89 \mathrm{(stat)} \pm 22 \mathrm{(syst) eV}</math>

==脚注==
<references/>

==外部リンク==
* {{cite web 
|url=http://cerncourier.com/main/article/45/6/3 Article in CERN Courier
|title=DEAR pins down kaonic hydrogen
|format=
|work=
|accessdate=2012-08-16
}}
* {{Cite web|和書
|url=http://ag.riken.jp/k-atom/index-j.html
|title=K中間子水素原子
|format=
|work=
|accessdate=2012-08-16
}} - KEK PS-E228 実験の公式サイト

{{デフォルトソート:Kちゆうかんしすいそ}}
[[Category:異種原子]]
[[Category:中間子]]