寿命わずか100億分の１秒の「ハイパー核」に　
宇宙の謎を解く鍵が潜んでいる!?

物質の世界を見つめていくと、クォークというミクロな粒子（素粒子）にまで行きつきます。自然界では珍しいストレンジクォークを含む原子核を「ハイパー核（=奇妙な原子核）」といいます。その寿命はわずか100億分の１秒ですが、加速器を使って人工的に作ることができます。
原田教授は、これらのハイパー核を研究することで、原子核の成り立ちの解明をめざしています。このテーマは、宇宙に存在する「中性子星」の謎の解明にも関わっています。

原子よりさらにミクロな物質の世界　
Σ粒子を含むシグマハイパー核とは？

物質の世界は分子からできています。分子は原子から、原子は電子と原子核から、原子核は陽子と中性子からできています。その陽子と中性子もクォークという素粒子からできています。クォークには、 u（アップ）・d（ダウン）・s（ストレンジ）・c（チャーム）・b（ボトム）・t（トップ）の6種類があります。陽子と中性子は、uとdのクォーク３つで構成されたバリオンと呼ばれる複合粒子です。さらに「ストレンジネス」を持つクォーク（＝ストレンジクォーク）を含むバリオンもあり、「ハイペロン」と呼ばれています。ハイペロンは自然界に普通は存在することはなく、稀にあったとしても100億分の１秒という極めて短時間しか存在できません。そんなハイペロンと陽子・中性子から構成される原子核は、「ハイパー核」と呼ばれています。このようなミクロな粒子（量子）は量子力学という自然の法則によって性質や運動が決められており、　ハイパー核は興味深い量子多体系なのです。

原田教授は、ハイパー核にどんな性質があるのか、それをどうやって実験的に作り出すのかを理論物理学の立場から研究しています。なかでもΣ（シグマ）粒子というハイペロンを含む研究では、その発展に貢献してきました。原田教授は大学院時代の論文でシグマハイパー核が存在することを先駆けて理論的に予言し、その後の実験によって、その論文の正しさが確かめられています。

ハイパー核の解明は
宇宙の成り立ちの解明にもつながる!?

ハイパー核は、J-PARCなどの加速器を使って人工的に作ることができます。実験の測定値から原子核内に作られたハイペロンの振る舞いを調べることができます。ハイペロンには、原子核の奥深くに潜り込むことができるという興味深い性質があります。このため、原子核の中の様子を探る「探針（プロープ）」として利用することができます。さらにバリオン間にはたらく力（核力）の解明にも役立ちます。原子核からなる物質（核物質）はストレンジネスという異粒子が入ることで、通常のものと違った振る舞いを示します。ストレンジネスを手掛かりに核物質の解明を目指す物理学の研究分野を「ストレンジネス核物理」と呼んでいます。最近の研究では、宇宙で数多く発見されている「中性子星」も研究対象になっています。

中性子星とは、太陽の８倍以上の質量を持つ恒星が超新星爆発を起こした後の残骸の一種で、半径はわずか10kmなのに質量は太陽とほぼ同じという、とてつもなく重い星です。中性子星が重いのは、重力によって極限まで圧縮されることで、電子が飛んで分子構造はなくなり、陽子と中性子がそのまま塊になった高密度核物質だからです。そんな高密度な中性子星物質の内部にはハイペロンが混在していると考えられており、中性子星はまさに巨大なハイパー核といえます。

ところが2010年頃から、観測技術の発達により太陽の２倍の質量を超える中性子星が発見されるようになりました。本来なら、理論上は重力崩壊を起こしてブラックホールになると考えられていたものが、明らかに中性子星として存在しているというのです。これは「ハイペロン・パズル」と呼ばれており、現在の物理学では説明できない超難問とされています。この難問を解く鍵は、原田教授の研究テーマである「ハイパー核」や「ストレンジネス核物理」の持つ未知の性質にあるのかもしれません。研究の最前線では、理論・実験・観測を担う多くの研究者が相互に交流し、情報を共有して研究に取り組んでいます。ミクロな世界のハドロン・原子核の研究も壮大な宇宙創成などの物理学と結びついており、それぞれの研究の中から新たな知見が得られています。