プレスリリース:魔法数研究に金字塔


魔法数研究に金字塔
-ついに中性子過剰なニッケル原子核の二重魔法性に結論-

理化学研究所
東京大学大学院理学系研究科
2019年5月2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RI物理研究室の谷内稜リサーチアソシエイト(研究当時、東京大学大学院理学系研究科物理学専攻大学院生)、ドルネンバル・ピーター専任研究員、櫻井博儀室長(東京大学大学院理学系研究科物理学専攻教授)らの国際共同研究グループは、中性子過剰なニッケル同位体[1]である78Ni原子核(陽子数28、中性子数50)のガンマ線分光[2]に成功し、長年未解決であった二重魔法性[3]の直接的証拠を発見しました。

 本研究成果は、原子核の内部構造を理解する手掛かりになるのみならず、宇宙における重元素合成(r過程)[4]の謎を解くための鍵になると期待できます。今回、国際共同研究グループは、世界最高性能で不安定原子核ビームを生成するRIビームファクトリー(RIBF)[5]において、極めて中性子過剰な78Ni原子核の励起状態を生成し、その励起エネルギーを測定することに初めて成功しました。実験は、フランスCEAサクレー研究所が開発を主導した高機能液体水素標的装置MINOS(ミノス)[6]を、理研が保有する高効率ガンマ線検出装置DALI2(ダリツー)[7]と組み合わせて使用することで達成されました。78Niの第一励起準位(2+準位[2])から発せられる高いエネルギーの脱励起ガンマ線の存在を確認しました。これは、中性子過剰な78Ni原子核においても二重魔法性が保持される直接的で強い証拠です。

 本研究には重点課題9サブ課題Bメンバーの大塚孝治(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)および、角田佑介(東京大学大学院理学系研究科 特任研究員)が参加しています。

大塚さんからのコメント
 この研究は原子核の構造を表す重要な指標である魔法数に関するものです。原子における電子系の構造にも魔法数がありますが、原子核の場合には少し異なります。原子核での魔法数は普遍的なものではなく陽子数や中性子数の変化とともに、既存のものが消えたり、新たなものが現れます。1949年にメイヤーとイェンゼンによって魔法数の概念が示されました。それは、2、8、20、28、50、82、126でした。これらの内の陽子数28と中性子数50を組み合わせると錫78になります。この原子核が本当に魔法数の性質を持っているかどうかを実験的に明らかにしたのが本研究の実験の部分です。錫78は中性子の数が陽子の2倍近くで、天然には存在せず、人工的に作るのも困難でしたが、遂にそのビームを作り実験ができた、というのが実験面での最も重要な成果です。理論面では、3つのグループが参加しましたが、ポスト京からは東大のグループ(角田(祐)、大塚)がモンテカルロ殻模型計算により参加しました。2種類の計算を提供し、一つは2014年に出版された、ポスト京の前身のプロジェクトの成果で、今回の実験によりその結果が正しかったことが検証されました。もう一つは、より規模の大きな計算で、この論文で初めて結果を発表しました。それによれば、上記の魔法数が機能していることを確認した上で、それが働いていない、つまり魔法数が役割を果たさず、多くの粒子ー空孔励起が起きている状態が、魔法数の構造をよく反映した状態とは別に、すぐ上のエネルギーにあることが分かりました。実験的にもそのエネルギーに近いところに状態が見つかりました。この状態は、中性子数が50よりも大きな、さらにエキゾチックなアイソトープに於ける新たな構造の片鱗を見せていると理論面では考えられ、大変興味深いものです。実験の精度がその状態に対しては十分でなく、詳細は今後の課題です。このように、1949年に示されて以来の伝統的な魔法数の存在を検証し、同時にそれを越えた新たな構造の表れも示唆した研究に、ポスト京はその前身のものとともに大きな貢献をして、実験家に目標を示し続けています。

図: 本研究で探索した78Niは、二重魔法数原子核の中で最も中性子ドリップラインに近い。

本研究は、国際科学雑誌『Nature』の掲載に先立ち、オンライン版(2019年5月1日付け:日本時間5月2日)に掲載されます。

※国際共同研究グループ
理化学研究所 仁科加速器科学研究センター
RI物理研究室

リサーチアソシエイト(研究当時):
谷内 稜(たにうち りょう)
(東京大学 大学院理学系研究科物理学専攻 博士課程)
専任研究員:
ドルネンバル・ピーター(Doornenbal Pieter)
室長:
櫻井 博儀(さくらい ひろよし)
(東京大学 大学院理学系研究科物理学専攻 教授)

スピン・アイソスピン研究室

客員研究員(研究当時):
クレメンティーヌ・サンタマリア(Clementine Santamaria)
(CEA サクレー研究所 大学院生)
客員研究員(研究当時):
オベルテッリ・アレクサンドレ(Alexandre Obertelli)
(CEA サクレー研究所 研究員)
室長:
上坂 友洋  (うえさか ともひろ)

本研究は、SEASTAR国際共同実験グループ(理化学研究所、東京大学、CEA(フランス)を中心とした日本、フランス、ドイツ、英国をはじめとした九つの国と地域で構成される研究グループ)に加え、理化学研究所、東京大学、大阪大学をはじめとした5カ国の理論物理学研究グループ、合計71名により遂行されました。

SEASTAR国際共同実験グループは、理化学研究所のドルネンバル・ピーターとフランス新エネルギー庁(CEA)サクレー研究所(研究当時)のオベルテッリ・アレクサンドレが研究代表者を務める国際的なコラボレーションで、高機能液体水素標的装置MINOSを用いて中性子過剰核の低励起準位の観測により魔法数研究を一挙に展開するために2013年に結成されました。

※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「Nuclear structure to unveil the nature of neutrinos and dark matter」、「多重ノックアウト反応で解き明かす原子核の独立粒子描像の崩れと多核子相関の全貌」、特別研究員奨励費「励起準位寿命測定による三軸非対称変形原子核の研究」、外国人研究者招へい事業L-13520、欧州研究会議(ERC)、ドイツ研究振興協会(DFG)、カナダ国立研究機構(NRC)、スペイン財務省(MINECO)など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, hp180179)を利用して得られた成果です。

詳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/2019/20190502_1/

掲載論文

論文誌名:
Nature
論文タイトル:
78Ni revealed as a doubly magic stronghold against nuclear deformation
著者:
R. Taniuchi, C. Santamaria, P. Doornenbal, A. Obertelli, K. Yoneda, G. Authelet, H. Baba, D. Calvet, F. Château, A. Corsi, A. Delbart, J.-M. Gheller, A. Gillibert, J.D. Holt, T. Isobe, V. Lapoux, M. Matsushita, J. Menéndez, S. Momiyama, T. Motobayashi, M. Niikura, F. Nowacki, K. Ogata, H. Otsu, T. Otsuka, C. Péron, S. Péru, A. Peyaud, E.C. Pollacco, A. Poves, J.-Y. Roussé, H. Sakurai, A. Schwenk, Y. Shiga, J. Simonis, S.R. Stroberg, S. Takeuchi, Y. Tsunoda, T. Uesaka, H. Wang, F. Browne, L.X. Chung, Zs. Dombradi, S. Franchoo, F. Giacoppo, A. Gottardo, K. Hadynska-Klek, Z. Korkulu, S. Koyama, Y. Kubota, J. Lee, M. Lettmann, C. Louchart, R. Lozeva, K. Matsui, T. Miyazaki, S. Nishimura, L. Olivier, S. Ota, Z. Patel, E. Sahin, C. Shand, P.-A. Söderström, I. Stefan, D. Steppenbeck, T. Sumikama, D. Suzuki, Zs. Vajta, V. Werner, J. Wu, and Z.Y. Xu
DOI番号:
10.1038/s41586-019-1155-x

用語解説

[1] 同位体、放射性同位体(RI)
原子核は陽子と中性子の2種の粒子が集まり構成された集合体であるが、同じ陽子数(原子番号)であっても、中性子の数が異なるものを同位体(アイソトープ)と呼ぶ。たとえば陽子数が1の元素(水素、H)においても、中性子数の数により、(軽)水素1H、重水素2H、三重水素3Hなどを指す。地球上にある物質は、寿命が無限かそれに近い安定核(安定同位体)で構成されている。安定同位体は約270種ある。一方で中性子数が過剰あるいは過少である同位体元素は、不安定で放射線を放出し崩壊する。ラジオアイソトープ(RI)、放射性同位体、不安定核、短寿命核とも呼ばれ、理論的には約1万種が存在すると考えられている。
[2] ガンマ線分光、2+準位
原子核の励起状態のうち、束縛した励起状態はガンマ線を放出してエネルギーの低い状態に遷移する。この脱励起時に放出されるガンマ線を測定して、未知の励起状態のエネルギーやスピン・パリティを決定し、原子核の構造を研究する方法をガンマ線分光という。2+準位とは、陽子数、中性子数ともに偶数である同位体において存在する励起状態のことで、特に第一2+準位のエネルギーの高さを実験的に測定することで、原子核の魔法性の手がかりを得ることができる。
[3] (二重)魔法性、(二重)魔法数
原子核は、原子中の電子軌道と同様に殻構造を持ち、陽子または中性子がある決まった数のとき閉殻構造となり、安定化する。この数を魔法数と呼び 2、8、20、28、50、82、126 が古くから知られている。魔法数は、メイヤーとイェンゼンが提唱してノーベル賞にもつながった。陽子数や中性子数が魔法数になると、一般には原子核は堅い球形になる。しかし近年の不安定核の研究によりこの魔法数が消失、また新しい魔法数の出現が起きることが知られている。理研において、16、34 の魔法数が新たに出現することを発見した。特に陽子数、中性子数がともに魔法数となる原子核を二重魔法数核と呼ぶ。本研究では陽子数28、中性子数50である78Ni原子核がこの性質(二重魔法性)を保つ直接的な証拠を得た。
[4] 重元素合成(r過程)
超新星爆発時に起きると考えられている元素合成過程のモデル。高速(rapid)に連続して中性子を捕獲しながら崩壊(β崩壊)するため、「r過程」と呼ばれる。鉄(原子番号26)以上の重元素のほぼ半分は、このr過程で生成される。重元素を生成するもう一方のs過程(slow:低速)は、赤色巨星への進化段階でゆっくりした中性子捕獲によって元素合成が行われる。s過程に比べ、r過程は実験的に生成が難しい極めて中性子過剰な(中性子ドリップライン近傍の)原子核を経由するため、未解明な部分が多い。近年、このr過程が起きる場所の候補として、中性子星同士の融合も提案され、さらに2017年に行われた中性子星合体からの重力波の観測を契機に研究が進んでいる。
[5] RIビームファクトリー(RIBF)、超伝導リングサイクロトロン(SRC)
水素からウランまでの全元素の放射性同位体(RI)を世界最大強度でビームとして発生させ、それを多角的に解析・利用することにより、基礎から応用にわたる幅広い研究と産業技術の飛躍的発展に貢献することを目的とする次世代加速器施設。施設はRIビームを生成するために必要な加速器系、RIビーム分離生成装置(BigRIPS)で構成されるRIビーム発生系施設、および生成されたRIビームの多角的な解析・利用を行う基幹実験装置群で構成される。これまで生成不可能だったものも含めて約4,000個のRIを生成できると期待されている。また、RIBFでは、複数のサイクロトロンを直列に連動させて大強度ビームを生成する。その最終段加速器である超伝導リングサイクロトロン(SRC)は心臓部に当たる電磁石に超伝導を導入し、高い磁場を発生できる世界初のリングサイクロトロンである(右図)。全体を純鉄のシールドで覆い、磁場の漏洩を防ぐ自己漏洩磁気遮断の機能を持っている。総重量は 8,300 トン。この SRC を使い非常に重い元素であるウランを光速の約70%まで加速できる。また、超伝導という方式によって、従来の方法に比べ100分の1の電力で動かせるため、大幅な省エネも実現している。
[6] 高機能液体水素標的装置MINOS(ミノス)
従来に比べて1桁程度高い実験効率を実現することを目的として、フランス原子力・代替エネルギー庁サクレー研究所と理研を中心とする日仏共同グループが製作した装置。約10cmの厚い液体水素標的と、それを取り囲む粒子飛跡検出器(タイム・プロジェクション・チェンバー;TPC)を組み合せた構造をしており、厚い標的を用いて高い実験効率を達成しながらも、反応位置をTPCによって決定することにより、エネルギー分解能の悪化を防ぐという特徴を持っている。本装置を用いた実験によりこれまでも多くの研究成果が得られている。
[7] 高効率γ線検出装置DALI2(ダリツー)
主にヨウ化ナトリウム(NaI)の結晶(シンチレーション検出器)を186個用いて構成される測定効率の高いγ線検出装置。光速の約60%で飛行する不安定核をMINOSの液体水素標的に当てて発生するガンマ線を測定し、原子核の励起状態を調べる。反応点を取り囲むように186個設置された。γ線のエネルギーと同時に放出角度を測定することでドップラー効果の影響を補正する。

問い合わせ先

<発表者> ※研究内容については発表者にお問い合わせ下さい
理化学研究所 仁科加速器科学研究センター RI物理研究室
リサーチアソシエイト (研究当時)谷内 稜  (たにうち りょう)
(東京大学 大学院理学系研究科物理学専攻 博士課程)
専任研究員 ドルネンバル・ピーター (Doornenbal Pieter)
室長 櫻井 博儀 (さくらい ひろよし)
(東京大学 大学院理学系研究科物理学専攻 教授)
TEL:048-462-5362(櫻井) FAX:048-462-4464
E-mail:taniuchi[at]ribf.riken.jp(谷内)、pieter[at]ribf.riken.jp(ドルネンバル)、sakurai[at]ribf.riken.jp(櫻井)

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理化学研究所 広報室 報道担当
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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

※上記の[at]は@に置き換えてください。

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