核物理実験研究部門の当レーザー電子光実験グループではエネルギーが非常に高く且つクォリティの良い光子ビームを用いてクォーク核物理学、即ちクォークとグルオンからなる量子系（これを「ハドロン」と呼びます）の性質の実験的解明を目指して研究を進めています。
実験は、西播磨にある世界最高エネルギー（80億電子ボルト(8 GeV)）の放射光電子リングである SPring-8 を利用して行っています。以下、質問形式で簡単に紹介しましょう。

(1) レーザー電子光って何？

光子は電荷を持たないので加速器で加速することはできません。しかし、加速された高エネルギー電子にレーザー光を正面衝突させるとコンプトン散乱（電子と光子の弾性散乱）によって散乱光子は電子からエネルギーをもらってほとんど後方に出てきます。これを「レーザー電子光」 と呼んでいます。実際に SPring-8 の 8 GeV 電子に波長 350 nm のレーザーを当てると最大 2.4 GeV という高エネルギーで且つ偏光した光子ビームが得られます。

(2) 何故 GeV 光子を使うとハドロンが調べられるの？

一般に光を物質に当てると、その波長程度のサイズまで調べることができます。関係式 E = h ν, λ = c/ν を使うと上記の E = 2.4 GeV は λ = 0.5 fm となり、ハドロンの代表である陽子の大きさ（〜1 fm）より短くなるのでそのサブ構造であるクォーク・グルオンの世界まで探索が可能となります。（ちなみにフェムトメートル（fm）というのは最近良く聞くナノメートルよりも6桁も小さい超ミクロな大きさです。）特に、ストレンジクォークと反ストレンジクォークからなる φ 中間子という粒子を生成できるエネルギーのレーザー電子光を持っているのは世界で我々だけです。

(3) 何をどうやって測定するの？

高エネルギー光子ビームを陽子または原子核標的に当て、光核反応が起こった時に放出される粒子を検出器で捕まえて、生成された粒子や反応のメカニズムの情報を引き出します。反応による生成粒子の多くは不安定で直ぐに別の2つ以上の粒子に崩壊してしまいますから、それらを同時に測定することが重要です。測定器としては前方に出てきた荷電粒子に対しては大きな双極電磁石と位置検出器を用いた高分解能のスペクトロメータがあり、側方に放出される荷電粒子検出のためにタイムプロジェクション・チェンバーと呼ばれる3次元飛跡検出器も導入され最近実用化されました(下図)。また、中性 π 中間子のように2つの γ 線に崩壊するものに対しては大きな立体角を覆う電磁カロリメータと呼ばれる測定器も用意されています。

(4) ペンタクォークが発見されたと報道されていましたが？

理論的には4つ以上のクォークからなる粒子というのは禁止されていませんでしたが、これまでは3つのクォークからなる粒子（バリオン）とクォーク・反クォーク対からなる粒子（メソン）しか見つかっていませんでした。我々のグループでは γ 線が原子核中の中性子と反応して生成される粒子の中に反ストレンジクォークの入ったバリオンらしきもの（Θ+ と命名）を世界で初めて見つけました（下図）。理論の対称性の要請から2つのクォークと1つの反クォークからなる粒子は許されないので、この粒子は最低4つのクォークと1つの反クォークを持っていることになり 「ペンタクォーク」 と考えられています。このエキゾチックな粒子の存在の確証とその物理的性質の解明はまさに現在世界中で進行中であり、我々のグループでもこれを最優先課題として研究に取り組んでいます。

(5) 他にはどんな研究テーマがありますか？

φ 中間子の閾値近くでの光生成を通じてのグルーボール（グルオンだけからできている粒子）探索、ストレンジクォークを持つバリオン（ハイペロン）の励起状態、特に Λ(1405)という状態の構造の解明、原子核媒質中でのメソンやバリオンの性質の変化の抽出、未発見のバリオン共鳴の探索、等々、様々なテーマにチャレンジしています。クォーク・グルオンの階層から物質を理解すべく、更には、それを超える未知の現象との遭遇を期して、最先端の技術を駆使して実験を行っています。特に、ストレンジネスを含むハドロンの構造の理解は超マクロな系である中性子星とも関連していて非常に興味が持たれています。