プレスリリース:磁気モーメントから分かる銅同位体の新たな姿


磁気モーメントから分かる銅同位体の新たな姿
-極限までスピン整列度を高めたRIビームを駆使して測定に成功-

理化学研究所
東京大学大学院理学系研究科
2019年1月30日

発表概要

理化学研究所(理研)仁科加速器科学研究センター核分光研究室の市川雄一専任研究員、上野秀樹室長、東京大学大学院理学系研究科の大塚孝治名誉教授らの国際共同研究グループは、中性子過剰な銅同位体75Cu(陽子数29、中性子数46)原子核の励起状態の磁気モーメント[1]測定に世界で初めて成功しました。本研究成果は、エキゾチック核[2]の構造を特徴づける二つの原理、「殻進化[3]」と「変形」の統一的な理解につながり、宇宙における元素合成過程の解明に役立つと期待できます。銅同位体は、安定な65Cu(中性子数36)から中性子の数を増やしていくと、基底状態の性質が75Cuで突然変化することが知られています。しかし、この変化は、原子核の殻構造[3]が中性子数の増減に伴って変化していく殻進化の効果なのか、原子核全体の形の変形による効果なのか、よく分かっていませんでした。この問題を解く鍵は、75Cuの内部構造を反映する励起状態の磁気モーメントにあります。しかし、75Cuの励起状態の半減期は150ナノ秒(ns、1nsは10億分の1秒)と短いために、これまで測定することは不可能でした。

今回、国際共同研究グループは、高効率で短時間の測定を実現するために、独自に開発した超高速スピン制御技術を利用して、理論極限に近いスピン整列度[4](30%)の75Cuビームを生成し、その磁気モーメントを測定しました。そして、測定データを、スーパーコンピュータ「京」[5]による理論解析と比べたところ、75Cuは変形したコアの周りを陽子が周回している構造であることが分かりました。これにより、中性子過剰なCu同位体に対して、変形していながらも殻進化が起こるという新たな描像を提示しました。

本研究は、国際科学雑誌『Nature Physics』オンライン版(2018年1月21日付)に掲載されました。

図 スピン整列した75Cuビームと、75Cuにおいて変形したコアを周回する陽子

※国際共同研究グループ

市川 雄一
(理化学研究所仁科加速器科学研究センター 専任研究員)
上野 秀樹
(同 室長 / 開拓研究本部 上野核分光研究室 主任研究員)
西畑 洸希
(同 訪問研究員)
高峰 愛子
(同 研究員)
大塚 孝治
(東京大学大学院理学系研究科物理学専攻 名誉教授 / 理化学研究所 仁科加速器科学研究センター 核分光研究室 客員主管研究員)
角田 佑介
(同研究科附属原子核科学研究センター 特任研究員)
小田原 厚子
(大阪大学大学院理学研究科 准教授)

本研究は、理化学研究所、大阪大学、東京大学、東京工業大学、CSNSM(フランス)、CEA(フランス)、GANIL(フランス)などからなる国際共同研究グループから35名の研究者が参加し行われました。

※研究支援
本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金基盤研究C「Cu同位体の励起状態核磁気モーメント測定による中性子過剰核の核構造研究(研究代表者:市川雄一)」およびJSPS-CNRS日仏二国間交流事業による支援を受けて行われました。また、文部科学省ポスト「京」重点課題 9「宇宙の基本法則と進化の解明」および計算基礎科学連携拠点(JICFuS)のもとで、理化学研究所のスーパーコンピュータ「京」(課題番号:hp160211, hp170230)を利用して得られた成果です。

くわしくは理化学研究所のプレスリリースをご覧ください。
http://www.riken.jp/pr/press/2019/20190130_2/

掲載論文

論文誌名:
Nature Physics
論文タイトル:
Interplay between nuclear shell evolution and shape deformation revealed by the magnetic moment of 75Cu
著者:
Y. Ichikawa, H. Nishibata, Y. Tsunoda, A. Takamine, K. Imamura, T. Fujita, T. Sato, S. Momiyama, Y. Shimizu, D. S. Ahn, K. Asahi, H. Baba, D. L. Balabanski, F. Boulay, J. M. Daugas, T. Egami, N. Fukuda, C. Funayama, T. Furukawa, G. Georgiev, A. Gladkov, N. Inabe, Y. Ishibashi, T. Kawaguchi, T. Kawamura, Y. Kobayashi, S. Kojima, A. Kusoglu, I. Mukul, M. Niikura, T. Nishizaka, A. Odahara, Y. Ohtomo, T. Otsuka, D. Ralet, G. S. Simpson, T. Sumikama, H. Suzuki, H. Takeda, L. C. Tao, Y. Togano, D. Tominaga, H. Ueno, H. Yamazaki, and X. F. Yang
DOI番号:
10.1038/s41567-018-0410-7

用語解説

[1] 磁気モーメント
ミクロな粒子がスピンをもつときに、それに付随する棒磁石としての性質。古典的には電荷をもつ粒子が円周運動をするときに発生する性質である。原子核を構成する陽子、中性子は自分自身の自転に加えて、ある周回軌道を公転する運動をしていると見なせるので、原子核全体としてはこれらの運動すべての総和としての磁気モーメントを持つ。
[2] 不安定核、エキゾチック核
天然に存在する安定な原子核は元素ごと(陽子数ごと)に、ある決まった数の中性子が結合している。これより中性子が少なかったり多かったりする場合、有限の時間でベータ崩壊する「不安定核」となる。不安定核の中でも、特に陽子数-中性子数のバランスが安定核のものから大きく変化し、特異な振る舞いを見せるものを「エキゾチック核」と呼ぶ。このような不安定核、エキゾチック核は宇宙における元素合成の現場で生成されるが、理研RIBFなどの加速器施設では人工的に生成することができる。
[3] 殻構造、魔法数、殻進化
原子核中の陽子や中性子は、原子の中の電子のように、さまざまなエネルギーの軌道上を運動している。軌道のエネルギーは「殻構造」に従って決まっており、メィヤーとイェンゼンの独立粒子模型はこの殻構造を与える。軌道をエネルギーの低いものから高いものへ順番に配置すると、ギャップが現れる。ギャップの下までびっしりと詰められる粒子数が「魔法数」である。2、8、28、50、82、126が古くから知られているほか、40も準魔法数として知られている。陽子数と中性子数がともに魔法数である原子核は、二重魔法数核と呼ばれる。このようなパターンは原子核によらず普遍的なものとされてきたが、例えば、中性子数を変えていくと、陽子の軌道のエネルギーが大きく変わることがあり、上述の殻構造を変えてしまうことが分かってきた。このような変化を「殻進化」という。殻進化は核力が単純ではないために起こり、特にテンソル力という非中心力が大きな役割を果たす。理研では、新たに16、34 の魔法数の発見が報告されているが、これらも殻進化の帰結として予言されていたものである。
[4] スピン整列、スピン整列度
通常ミクロな粒子のスピンはそれぞれバラバラな方向を向いているが、ある特殊な磁場環境やレーザーなどを用いた人工的操作によって、それらのスピンの向きをそろえることができる。一方向のみにスピンの向きが偏った状態をスピン偏極、方向は同じだが向きは平行、反平行の両方存在するように偏った状態を「スピン整列」という。最大限に偏らせた状態を100%として、実現している偏りの度合いをスピン偏極度、あるいはスピン整列度という。
[5] スーパーコンピュータ「京」
文部科学省が推進する「革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラの構築」プログラムの中核システムとして、理研と富士通が共同で開発を行い、2012年9月に共用を開始した計算速度10ペタフロップス級のスーパーコンピュータ。

問い合わせ先

(研究に関すること)
理化学研究所 仁科加速器科学研究センター 核分光研究室
専任研究員  市川 雄一(いちかわ ゆういち)
E-mail:yuichikawa[at]riken.jp

室長     上野 秀樹(うえの ひでき)
E-mail:ueno[at]riken.jp

東京大学 大学院理学系研究科
名誉教授 大塚 孝治(おおつか たかはる)
E-mail: otsuka[at]phys.s.u-tokyo.ac.jp

(報道に関すること)
理化学研究所 広報室 報道担当
TEL:048-467-9272 FAX:048-462-4715
E-mail:ex-press[at]riken.jp

東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室 
TEL:03-5841-0654 
E-mail:kouhou.s[at]gs.mail.u-tokyo.ac.jp

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