2018年7月10日

発表のポイント

・新しい魔法数※1として提案されている34個を超えた中性子を含むカルシウム同位体、カルシウム-55, 56, 57※2の質量を精密測定し、質量の変化の分析から「魔法数34」の発現を確証した。
・高速イオンの質量を高効率・高分解能で測定する手法を開発し、生成確率が非常に小さく、短い時間しか存在しない原子核であるカルシウム-55から57までの精密質量測定に成功した。
・不安定な原子核を含む全ての原子核の成り立ちについての統一的な理解が進み、超新星爆発や中性子星合体※3における重元素合成過程※4の解明、安定の島※5に向かう超重元素の構造的理解の基礎となることが期待される。

発表概要

東京大学理学系研究科附属原子核科学研究センター、理化学研究所仁科加速器科学研究センター、大阪大学核物理研究センター、東京都市大学、京都大学、九州大学、立教大学、東京理科大学、ノートルダム大学、ミシガン州立大学からなる国際共同研究グループは、カルシウムの同位体で新たに提案されている「魔法数34」より多くの中性子を含む原子核の質量を世界で初めて精密測定し、質量の変化量の分析から魔法数34の発現を確証しました。

原子核は陽子と中性子からできていますが、含まれる陽子や中性子の個数を変化させたとき、その質量の変化は必ずしも滑らかでないことが知られています(図1)。急な質量変化が現れる中性子や陽子の数は「魔法数」と呼ばれ、量子力学の効果として知られています。具体的な魔法数の数値は、原子核に含まれる陽子や中性子の間に働く力の性質で決まり、自然界に安定に存在しない原子核(不安定核、※6)では、これまで知られていた数と異なる魔法数が予言されています。

研究グループは、新しい魔法数が現れると提案されているカルシウム-54よりもさらに中性子を多くもつカルシウム-55, 56, 57の質量を高効率・高分解能で測定し、それらの質量差から34が新しい魔法数であることを確証しました。

新魔法数34の定量的な確証が示された今回の結果を礎に、人類未踏の希少原子核を含む全ての原子核の存在範囲や安定性についての理解が深まり、中性子星合体での重元素合成過程やニホニウムを超える超重核の構造解明が進むことが期待されます。

発表内容

背景

自然界にある物質の質量の大部分を担う原子核は、陽子と中性子により構成され、量子力学に支配されたとびとびのエネルギー準位構造を持っています。陽子や中性子は、エネルギーが低い準位から順番に詰まっていき、アインシュタインの示した「エネルギーと質量の等価性」から、構成された陽子と中性子の質量とそれらが収まっている準位のエネルギーの総和が原子核の質量となります。「魔法数」とは、準位間のエネルギー差が特に大きくなる陽子・中性子の構成数で、魔法数をもつ原子核が安定なのは、そのエネルギー差を超えるのにより大きなエネルギーを必要とするためです。魔法数の安定性は、中性子の数に対する原子核質量の増加量として現れ、定量的に評価することができます。

量子力学の世界に生まれる魔法数は、まず原子でメンデレーエフによって発見されました。原子核の魔法数は、原子核を司る核力※7と原子を司る電磁気力の性質が違うため、原子の魔法数とは異なります。原子核の魔法数が2, 8, 20, 28, 50, 82, 126であり、それらが核力の特徴によって決まっていることを説明した、メイヤーとイェンセンは1963年にノーベル賞を受賞しています。近年になり、陽子数と中性子数のバランスが極端に崩れた不安定核が人工的に生成できるようになると、そのバランスに依存して、今まで普遍的性質であると思われていた魔法数が消えたり、新しい魔法数が出現したりする現象が発見されました。

膨大な陽子数と中性子数の組み合わせをもつ原子核存在領域のどこで、どのくらいの安定性をもった魔法数が現れるのかに答えることは、私たちに身近な原子核から人類未知の原子核まですべての原子核の成り立ちを理解するうえでの一里塚であり、知識の基盤となっています。

研究手法と成果

今回の成果は、東京大学と理化学研究所の包括的連携協定のもと、東京大学大学院理学系研究科附属原子核科学研究センターと理化学研究所仁科加速器科学研究センターが共同で建設したSHARAQ(シャラク)磁気分析装置※8を用いた実験により実施されました。理化学研究所仁科加速器科学研究センターの重イオン加速器施設であるRIビームファクトリー※9において、超伝導リングサイクロトロン(SRC)で亜鉛-70(Zn-70)を光速の約70%まで加速、超伝導RIビーム生成分離装置(BigRIPS)を用いて光速の約60%で飛行する重いカルシウム、カルシウム-55, 56, 57を生成しました。これら重いカルシウムの質量は、105メートルにわたるBigRIPS装置からSHARAQ装置全体を用いた磁気剛性-飛行時間法にて決定しました(図2)。飛行時間法は一定距離の飛行時間から質量を測定する、遺伝子やタンパク質の解析等にも広く使われている質量分析手法ですが、今回もちいた磁気剛性-飛行時間法は、高分解能磁気分析装置SHARAQと最新鋭の放射線センサーとを組み合わせることによって、より高効率で高い質量分解能を持つ質量測定手法を実現しました。生成された不安定原子核は1原子核ごとに、BigRIPSからSHARAQまで約200万分の1秒の飛行時間をCVDダイヤモンド検出器※10を使用して1000億分の1秒の精度で測定、SHARAQを使って測定した磁気剛性※11と組み合わせて希少原子核の質量を決定しました。さらに位置感度100ミクロンの多線式ドリフトチェンバー※12で、BigRIPS-SHARAQ内の飛行軌道を再構成し、低雑音・高分解能化に成功、29個分の測定データでカルシウム-57の質量を決定することができました。

原子核質量の変化の割合から、同じ34個の中性子を持った原子核(同調体)の間で安定性がどのように成長し、魔法数となったかを初めて捉えることができました。カルシウム-54は同じ中性子数34をもつチタン-56やスカンジウム-55と比較して安定性が大きく、スカンジウムからカルシウムへ、1つの陽子が抜けることで中性子数34が急激に魔法数化していることがわかりました。一方で、中性子36個の同調体であるカルシウム-56は、ニッケル-64から安定性の変化は見られず、カルシウム-54の特殊性が実証されました。(図3)

今後への期待

磁気剛性-飛行時間法は、すべての原子核に適用でき、人類未踏の原子核での魔法数の発現、既存魔法数の消滅を早く正確に検知できる質量測定手法です。今回の成果は、カルシウムでの中性子数34の魔法数化の実証ですが、世界最高強度の希少原子核を生成できる超伝導RIビーム生成分離装置BigRIPSと高分解能SHARAQ磁気分析装置の組み合わせにより、カルシウム以外の非常にアンバランスで生成が困難な原子核の安定性も広く観察することができます。この手法を通して得られる広範な原子核領域の安定性のデータを通じ、不安定核を含む全ての原子核の成り立ちについての統一的な理解を進め、超新星爆発や中性子星合体における重元素合成過程の解明、安定の島に向かう超重元素の構造的理解の基礎となることが期待されています。

発表雑誌

雑誌名:Physical Review Letters(オンライン版:7月11日掲載)
論文タイトル:Magic Nature of Neutrons in 54Ca: First Mass Measurements of 55-57Ca
著者:S. Michimasa*, M. Kobayashi, Y. Kiyokawa, S. Ota, D. S. Ahn, H. Baba, G. P. A. Berg, M. Dozono, N. Fukuda, T. Furuno, E. Ideguchi, N. Inabe, T. Kawabata, S. Kawase, K. Kisamori, K. Kobayashi, T. Kubo, Y. Kubota, C. S. Lee, M. Matsushita, H. Miya, A. Mizukami, H. Nagakura, D. Nishimura, H. Oikawa, H. Sakai, Y. Shimizu, A. Stolz, H. Suzuki, M. Takaki, H. Takeda, S. Takeuchi, H. Tokieda, T. Uesaka, K. Yako, Y. Yamaguchi, Y. Yanagisawa, R. Yokoyama, K. Yoshida, S. Shimoura

用語解説

※1 新しい魔法数
「魔法数」とは、原子核がとくに安定になる陽子や中性子の個数のこと。メイヤーとイェンセンは、原子核の魔法数が2, 8, 20, 28, 50, 82, 126であり、それらが核力の特徴によって決まっていることを説明し、1963年にノーベル賞を受賞した。近年、新しい原子核が人工的に合成できるようになると、2000年に理化学研究所の研究グループが中性子を多く含んだ原子核で新しい魔法数が現れることを初めて発見(A. Ozawa et al.,Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 5493)し、その後の「新しい魔法数」に関する実験的・理論的研究を切り開いた。魔法数34は東京大学の理論研究グループが2001年の論文(T. Otsuka et al.,Phys. Rev. Lett. 87 (2001) 082502)で予言し、2013年に東京大学と理化学研究所の共同研究(D. Steppenbeck et al., Nature 502 (2013) 207.)で有力な実験的証拠を得ていた。決定打となる魔法数34よりも多くの中性子を含むカルシウム原子核の質量データの取得が待たれていた。

※2 カルシウム-55, 56, 57
カルシウム同位体は、中性子が15個から38個までの同位体が存在できることが知られている。カルシウム-55,56は1997年、57は2009年に発見された原子核で、半減期はそれぞれ22ミリ秒、11ミリ秒、5ミリ秒と非常に短い。(カルシウム-55,56の半減期は測定値、カルシウム-57については理論予想値。)今回の実験でカルシウム-57は1秒あたり8000億個の亜鉛-70原子核をベリリウム標的に照射して生成し、約2時間に1個の割合で測定された。

※3 中性子星合体
2つの中性子星同士が衝突する天体現象で、2017年8月に重力波望遠鏡LIGOとVirgoによって初めて観測された。中性子星は質量が太陽と同じぐらいだが、半径が10km程度しかない非常に高密度な天体、全質量の95%程度が中性子であり、巨大な原子核とみなされている。

※4 重元素合成過程
私たちの身の回りにある鉄よりも重い原子核が宇宙の中でどのように合成されたのかは未だ解明されていない。生成に膨大なエネルギーが必要なため、巨大な恒星が最期である超新星爆発や、2017年に発見された中性子星合体といった場所で起こると考えられている。これらの天体現象で発生した大量の中性子を非常に短い時間で吸収して重い原子核が合成されるため、寿命が短い中性子を多く含んだ中性子過剰核の性質が合成経路解明の鍵になっていると考えられている。

※5 安定の島
理論で予想されている、原子番号が120、中性子数184を中心とする安定した超重原子核の存在領域。原子番号120と中性子数184がともに理論的に予想された新魔法数であるため、安定の島周辺の原子核は特に安定性を獲得できると考えられている。

※6 不安定核
自然界に安定に存在しない原子核の総称。私たちの周りに安定して存在する原子核にくらべ陽子と中性子の数のバランスが崩れて、短時間でベータ崩壊を起こしより安定した原子核へ変化する。一般にアンバランスになればなるほど寿命が短くなり、やがて原子核として存在できない境界線(ドリップライン)が訪れる。とくに陽子の多いものを陽子過剰核、中性子の多いものを中性子過剰核と呼ぶ。

※7 核力
原子核内の多数の陽子、中性子を結び付けている力。湯川秀樹は中間子論の発明により核力の記述に初めて成功し、1949年にノーベル賞を受賞した。核力には、粒子間の距離だけで決まるクーロン力や重力とは異なり、スピンに依存した非中心成分(テンソル成分)や3つの粒子から力が決まる成分(三体力成分)があることが知られている。

※8 SHARAQ(シャラク)磁気分析装置
理化学研究所RIビームファクトリー内に東京大学が建設した、RIビームの磁気剛性を高分解能で分析する装置。常伝導双極電磁石2台、超伝導四重極電磁石2台、常伝導四重極電磁石1台から構成される。

※9 RIビームファクトリー(RIBF)
理化学研究所が有するRIビーム発生装置と独創的な基幹実験設備群で構成される重イオン加速器施設。2基の線形加速器、4基の常伝導サイクロトロンと超伝導リングサイクロトロン「SRC」により、すべての安定原子核を光速の約70%まで加速することができる。超伝導RIビーム生成分離装置「BigRIPS」は、生成確率の極めて小さな不安定核が効率よく生成できるため、カルシウム-57の質量測定が実現された。

※10 CVDダイヤモンド検出器
化学気相成長(CVD)法を用いて製作したダイヤモンド薄膜を素材とする放射線センサー。イオンが通過した時の応答が極めて速く、1000億分の1秒の精度で通過時刻を計測できる。

※11 磁気剛性
磁場中を飛行する荷電粒子に生じるローレンツ力と遠心力の釣り合いから得られる磁場に対する粒子の曲がりにくさの指標。粒子の運動量を電荷で割ったものに等しい。

※12 多線式ドリフトチェンバー
多数のワイヤーを張った箱(チェンバー)にガスを封入することで、高速イオンが通過した位置を約0.1ミリの精度で測定できる検出器。封入ガスを低圧化することにより、通過した高速イオンへの影響を最小限にすることができる。

添付資料

図1 重いカルシウム同位体の二中性子分離エネルギー。準位間のエネルギーが一定のときには、二中性子分離エネルギーは一定となるが、魔法数を超えて中性子が増えた時には二中性子分離エネルギーが急に小さくなる。

図2 今回の高効率・高分解能質量測定に用いたBigRIPS-SHARAQ実験装置

図3 中性子数が32, 34, 36での質量変化の割合。原子核の安定性は、中性子数の増加に対する変化の割合から定量的に評価できる(具体的には隣り合う原子核の二中性子分離エネルギーの差)。N=34同調体ではスカンジウム(Sc)からカルシウム(Ca)においてエネルギー差が大きくなっている。N=36同調体では、カルシウム(Ca)からニッケル(Ni)までエネルギー差はほぼ一定である。

参考URL

大阪大学 核物理研究センター
https://www.rcnp.osaka-u.ac.jp

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