Λハイパー核は、陽子と中性子から成る原子核にΛ粒子が結合した状態である。Λ粒子は、核子によるパウリ排他律を受けないため原子核の内部まで入り込むことができる。また、Λ-核子間相互作用は核子-核子間相互作用に比べ弱い。その結果、Λ粒子はハイパー核のなかで単純な単一粒子軌道状態に束縛されることが期待される。Λハイパー核の研究は、新しいバリオン多体系の研究であると同時に、核物質中でのバリオンの振る舞いやΛ-核子間相互作用を調べる有効な方法でもある。

　Λハイパー核は1952年に原子核乾板中に初めて観測されたが[1]、とくにカウンター実験[2]の始まりをかわきりに、(K^-、π^-)、(stop K^-、π^-)反応により、精力的にその研究が行われてきた。ただし、観測される状態は主として軽いハイパー核の基底状態ヤsubstitutional状態(Λが、反応する前の中性子と同じ軌道角運動量に束縛される状態)に限られていた。そこで、重いハイパー核までの広い質量数にわたり様々なΛ束縛状態を観測するのに適しているとして(π⁺、K⁺)反応が提案された[3,4,5,6]。とりわけ、重いハイパー核の深い束縛状態を分離できる可能性が指摘された。これは、運動量移行が0.35GeV/c程度と大きいために、軌道角運動量最大の中性子空孔状態とΛ粒子状態が角運動量最大に結合した状態が選択的に生成されるためである。このような(π⁺、K⁺)反応の有効性は、BNLとKEKにおける質量数89までの限られたエネルギー分解能での実験によって確認された[7,8,9]。

　本実験は、(π⁺、K⁺)反応によって質量数10から208まで系統的に、これまで以上の分解能2MeV(FWHM)で精密にΛハイパー核のエネルギースペクトルを観測しようというものである。とりわけ質量数89より重いΛハイパー核の深い束縛状態を分離、観測しようとする初めての試みである。これにより、原子核内部でのラムダ粒子の状態を調べ、また、Λ-核子相互作用に関する情報を得ることを目指している。

　実験は、1993年2月から7月にかけて高エネルギー物理学研究所12GeV陽子シンクロトロンの1.06GeV/c π⁺中間子ビームを用いて行われた。¹³⁹_ΛLaや²⁰⁸_ΛPbなどの重いΛハイパー核の殼構造を観測するためにはエネルギー分解能2MeVを達成することが最も重要である。そのため、高運動量分解能(0.1%)かつ広立体角(100msr)を誇る超伝導K中間子スペクトロメータ(SKS)が建設された[10]。図1にSKSの概観図を示す。K⁺中間子の運動量は、測定した磁場分布を用い、ドリフトチェンバーSDC1〜4による位置データからRunge-Kutta法により計算する。一方、ビームπ中間子の運動量はビームラインに設置されたQQDQQ系によってSKSと同程度の分解能で測定する。

図1:SKSの概観図

　ところで、(π⁺、K⁺)反応はバックグラウンドである他のπ原子核反応に比べて断面積が極めて小さい。SKSでは、TOFカウンター(TOF)、ルサイトチェレンコフカウンター(LC)、大型エアロジェルチェレンコフカウンター(AC1,AC2)[11]の組み合わせで強力なK⁺中間子トリガーを構成している。データ解析では、TOFカウンターによる飛行時間測定法により散乱粒子の質量を計算しK⁺中間子事象を選別する。図2に散乱粒子の質量分布の一例を示す。

図2:散乱粒子の質量分布

　図3に得られた¹²_ΛC、¹⁰_ΛB、¹³⁹_ΛLa、及び²⁰⁸_ΛPbのエネルギースペクトルとガウス関数によるフィッティング曲線を示す。

図3:¹²_ΛC(左上)、¹⁰_ΛB(右上)、¹³⁹_ΛLa(左下)、²⁰⁸_ΛPb(右下)

　¹²_ΛCに関しては、、と記した2つの大きなピークとともに、その間に2つのピークが初めて分離、観測された。前者は(π⁺、K⁺)反応の特徴である軌道角運動量最大の中性子空孔状態にs、p軌道のΛがそれぞれ結合した状態である。このピークの幅は、実験的にエネルギー分解能2MeVが達成されていることを示している。一方2つの小さなピークは、S軌道のΛに励起した芯核¹¹Cが結合した状態である。そのピーク位置はおおまかには¹¹Cの準位を反映している。¹⁰_ΛBに関しては、基底状態以外に3つのピークが初めて観測された。これらは、¹²_ΛCの場合と同様、s軌道のΛと芯核⁹Bが結合した状態であり、観測されたピーク位置はおおまかには⁹Bの準位を反映している。これは、Λが芯核に与える効果は小さいという弱結合描像が近似的には成立していることを示している。逆に、励起エネルギーの違いはΛ-核子相互作用に関する情報を含んでいる。このような芯核励起構造が観測されたことにより、configuration mixed shell modelによる計算[12]との精密な比較が可能となった。現在、芯核の波動関数とともに、反応機構や有効Λ・核子相互作用に関して詳細な検討が進められている。

　¹³⁹_ΛLaと²⁰⁸_ΛPbに関しては、(π⁺、K⁺)反応の特徴である軌道角運動量最大の中性子空孔状態、それぞれh_11/2^-1とi_13/2^-1、に様々なΛ軌道状態が結合した状態を反映していると解釈できるピーク構造が観測され、(π⁺、K⁺)反応が重たいΛハイパー核の研究に有効であることが改めて確認された。これら主要なピーク位置は、Woods-Saxson型Λポテンシャルによる計算とほぼ対応している。この結果は、¹³⁹_ΛLaや²⁰⁸_ΛPbのような重いΛハイパー核の内部においてもΛの単一粒子描像が成立していることを支持している。一方、観測されたスペクトルから、軌道角運動量最大の中性子ホール系列(h_11/2^-1とi_13/2^-1)以外の系列が強く生成されていることがわかった。

　Λハイパー核、¹⁰_ΛB、¹²_ΛC、²⁸_ΛSi、⁸⁹_ΛY、¹³⁹_ΛLa、²⁰⁸_ΛPbのエネルギースペクトルを(π⁺、K⁺)反応によりエネルギー分解能2MeVで観測した。重い核に関しては、Λの殼構造を反映したピーク構造が観測され(π⁺、K⁺)反応の有効性が改めて実証された。¹³⁹_ΛLaや²⁰⁸_ΛPbのような重い核の内部においてもΛの独立単一粒子的描像が成立していることを支持する結果が初めて得られた。一方、軽い核については、芯核が励起した状態が観測され、理論計算との精密な比較が可能となった。これにより、ハイパー核構造のより精密で系統的な理解とともに、Λ-核子相互作用に関する情報が得られた。