広報活動

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2011年2月1日

独立行政法人 理化学研究所

「超新星爆発の元素合成は想像以上に速い」証拠をつかむ

-18個もの中性子過剰原子核の寿命測定に世界で初めて成功-

ポイント

  • 世界最高性能RIBFの8時間計測で、重元素合成過程の経路の測定に初めて踏み込む
  • 質量数110近傍のRIは、標準的な理論予想に比べ2~3倍以上速く崩壊
  • 超新星爆発の際の元素合成が予想以上に速く進んだことを示唆

要旨

独立行政法人理化学研究所(野依良治理事長)は、仁科加速器研究センター(延與秀人センター長)が推進している大強度重イオン加速器施設「RIビームファクトリー(RIBF)※1」で、クリプトン(原子番号36)からテクネチウム(原子番号43)までの放射性同位元素(RI)※2を発生させ、38個もの中性子過剰なRIの寿命を測定しました。そのうち18個は、世界初のデータであり、質量数110近傍の寿命データを標準的な理論予想と比較すると、驚くべきことに予想よりも2~3倍以上速く崩壊することが分かりました。この短い寿命は、超新星爆発※3重元素合成過程(r過程)※4の速さに影響を及ぼすことから、これまで謎となっていた理論予想での「重元素生成量の不足問題」への解決の糸口となります。理研仁科加速器研究センター櫻井RI物理研究室の西村俊二先任研究員、櫻井博儀主任研究員と国内外の大学・研究機関との国際共同研究※5による成果です。

鉄からウランに至る自然界に安定して存在する重い元素の約半分は、超新星爆発時に起きるr過程によって作られたと考えられています。この仮説を検証するためには、超新星爆発時に生成された中性子過剰なRIを人工的に作り、その寿命などを測定することが必要で、世界最高性能を持つRIBFだけが実現可能な施設となっていました。研究グループは、RIBFで345MeVまで加速した238U(ウラン)ビームを標的となる9Be(ベリリウム)に照射し、さまざまな中性子過剰なRIを人工的に作りました。選別したRIを、理研で独自開発した高性能な寿命測定装置※6に打ち込み、崩壊するまでの時間(寿命)を精度良く測定しました。その結果、わずか8時間という測定時間で、世界の過去20年分のデータ量に匹敵するデータを取得し、質量数110近傍の中性子過剰なRIの寿命は、理論予想に比べ2~3倍も短いことが判明しました。

標準的な理論では、質量数110~125、140以上の領域で、太陽系における元素の量(元素存在度)を過小評価しており、観測データとの食い違いが問題となっていました。超新星爆発時の元素存在度は、中性子過剰なRIの寿命と密接に関係しています。今回の結果から、爆発が終了するまでにr過程が想像以上に速く進み、多くの重元素が生成されることが示唆でき、「重元素生成量の不足問題」への解決の糸口を初めて見いだしました。今後、RIBFでは性能をさらに向上させ、より多くのRIデータを取得し、元素誕生の謎の解明に挑戦します。

本研究成果は、米国の科学雑誌『Physical Review Letters』に掲載されるに先立ち、オンライン版に近く掲載予定です。

背景

原子核は、原子の中心に位置した陽子と中性子の固まりで、それらの個数により原子核の性質が決まります。私たちの周りには、金、鉄など自然に存在する安定な原子核が約300個存在しますが、理論的には約10,000個の原子核が存在するといわれ、そのほとんどが放射線同位元素(RI)と呼ばれる不安定な原子核です。

「私たちの周りの元素は、いかにして創られたのか?」その謎を解くヒントは、太陽系に存在する元素の量(元素存在度)、特に鉄より重い質量数(質量数A>70)における特異な幅広のピーク構造にあります(図1)。この構造は、かつて私たちの太陽系が誕生する以前に重元素合成過程(r過程)が起きた痕跡だと考えられています。このr過程の特徴は、超新星爆発あるいは中性子星の衝突など、多量の中性子が存在する環境で発生する急速な中性子捕獲反応とβ崩壊にあります。そこでは、軽い原子核から重いウラン領域の原子核まで、数千種もの中性子過剰なRIが一挙に生成されたとされています。それらのRIは、中性子の密度や温度の低下に伴ってβ崩壊を起こし、現在の私たちの世界を構成する安定した原子核に落ち着いたと考えられています。しかし、その詳細なメカニズムは謎に包まれており、理論計算による超新星爆発の再現もいまだに成功した例がありません。

このr過程の問題を解く鍵は、数千種もの中性子過剰なRIの寿命、質量、中性子放出確率の大規模なデータ収集にあり、すでに消失した非常に中性子過剰なRIの再現が必要となります。1980年代から、この難問に答えるべく欧州・米国の研究機関・大学を中心に実験が行われてきました。しかし、これまでの加速器ではRI生成能力の不足という技術的な課題によって、通常の安定核より10~20個の中性子過剰なRIを生成することができず、r過程経路上の中性子過剰なRIの測定に届いていない状況にありました。

理研は2007年、世界を冠絶する大強度重イオン加速器施設(RIBF)、および高性能粒子運送・識別能力を特長とする超伝導RIビーム生成分離装置(BigRIPS)を完成させました。2010年、理研が45種の中性子過剰な新RIを発見した成果(2010年6月8日プレス発表)は、世界中の研究者にRIBFの威力とr過程の研究がいよいよ可能となったことを印象づけました。これに引き続き今回、最初のβ崩壊実験として、質量数110近傍(中重核領域)の中性子過剰なRIの寿命測定を実施しました(図2)。元素存在度の第2ピークより質量数が少ないこの領域は、理論計算値が超新星爆発のr過程の時間や元素存在度が観測データと一致せず、さらに重い領域の金や鉛などの重元素生成量と密接な関係があり、注目されていました。

研究手法と成果

RIは、安定な原子核と比較して陽子または中性子の数が違うほど一般に不安定になり、寿命が短くなっていきます。不安定な原子核の寿命は、原子核を一度捕獲し、崩壊に伴い放出される粒子(β線、α線、γ線)の放出時間を調べる方法で測定します。研究グループは、質量数110近傍の中性子過剰なRIを生成するために、超伝導リングサイクロトロン(SRC)を主体にしたリングサイクロトロン群で光速の70%となる核子当たり345MeV(メガ電子ボルト)まで加速した238U(ウラン)ビームを利用しました。毎秒109個もの大強度の238Uビームを標的となる9Be(ベリリウム)に照射し、核分裂反応で、さまざまな陽子、中性子の数を持つ不安定な原子核を生成しました。生成した不安定核の中から、中性子過剰な97Kr(クリプトン:原子番号36)から117Tc(テクネチウム:原子番号43)までのRIを超伝導RIビーム生成分離装置(BigRIPS, ZDS)で分離し、ビームとして取り出しました(図3)。このビームを、高性能な寿命測定装置内の約1cmのアルミニウム板で減速し、最後にβ線検出器に打ち込むことで捕獲します(図4)。β線検出器は、2次元位置検出型シリコン半導体検出器(5cm×5cm, 厚み1mm、計9枚)で構成され、RIの打ち込み時間と停止位置を精度良く測定します。粒子識別を行ったRIを打ち込んだ時間(t1)、停止位置を1個1個記録し、RIが埋め込まれた位置から崩壊に伴い放出されるβ線の放出開始時間(t2)と停止位置を測定します。最終的に、時間差分布(t2-t1)を個々のRIについて調べ、統計処理により、寿命を精度よく決定します。

このように、世界最強の重イオン加速器システムと高性能な寿命測定装置を組み合わせることにより、r過程の経路近傍に位置する非常に中性子過剰な原子核38個の寿命の測定に成功し、そのうち18個は世界で初めて寿命測定した原子核でした(図2)。この結果は、わずか8時間の測定で世界の過去20年分のデータ量に匹敵するデータを取得したことになります。質量数110近傍の中性子過剰なRIの寿命データを標準的な理論予想と比較すると、驚くべきことに予想よりも2~3倍以上も速く崩壊することが分かりました(図5)。超新星爆発で作られる元素の量は、中性子過剰なRIの寿命と密接に関係しており、今回判明した短い寿命は、r過程がこれまでの想定以上に速く、重元素領域へと駆け上がっていくことを示唆しています。この成果は、世界最高性能を持つRIBFだけで実現可能で、これまで謎となっていた理論予想での「重元素生成量の不足問題」への解決の糸口を見いだす最初の成果となりました。

今後の期待

高性能な寿命測定装置には、β線検出器を取り囲むように4台の高純度ゲルマニウム検出器と高検出効率の臭化ランタン(LaBr3)検出器からなるγ線検出器が設置されています(図4)。このγ線検出器は、原子核の励起状態から放出されるγ線のエネルギーを測定し、非常に中性子過剰な原子核の核構造について詳細に調べることが可能です。

今回の成果は、約3日間にわたる測定のうち、8時間分の実験データを解析した結果です。γ線測定のために収集した残りのデータの解析も行っており、原子核の変形に関する成果が得られてきました(Physics Letters B 696 (2011) 186-190)。今後、RIBFでは、加速器のビーム強度をさらに4,000倍に増強することを目標としており、より多くのRIデータを取得し、元素誕生の謎の解明に向かって挑戦していきます。

発表者

理化学研究所
仁科加速器研究センター 櫻井RI物理研究室
先任研究員 西村 俊二(にしむら しゅんじ)
主任研究員 櫻井 博儀(さくらい ひろよし)

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715
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補足説明

  1. RIビームファクトリー(RIBF)
    RIビーム発生系施設と独創的な基幹実験設備で構成される次世代重イオン加速器施設。RIビーム発生系施設は、1基の線形加速器、4基のリングサイクロトロンと超伝導RIビーム分離生成装置(BigRIPS)から構成される。これまで生成不可能だったRIも生成でき、世界最多となる約4,000種のRIを創出できる性能を持つ。
  2. 放射性同位元素(RI)
    物質を構成する原子核には、構造が不安定なため時間とともに原子核が崩壊していくものがある。このような原子核を放射性同位元素と呼ぶ。放射性同位体、不安定同位体、不安定原子核、不安定核、ラジオアイソトープ(RI)とも呼ばれる。同じ元素であっても、中性子の数が相違する原子同士を同位体と呼ぶが、同位体は安定なものと不安定なものに分類される。不安定なものは崩壊の際に放射線を放出するため、このように区別して呼んでいる。
  3. 超新星爆発
    大質量の恒星がその一生を終えるときに起こす大規模な爆発現象。太陽の約8倍より重い恒星の場合、核融合反応により中心核の質量が増えると、やがて陽子の電子捕獲反応が起きて中心核内部に中性子過剰な原子核が増える。これによって電子の縮退圧が弱まり重力収縮が打ち勝って一気に崩壊する(重力崩壊型超新星爆発)。
  4. 重元素合成過程(r過程)
    超新星爆発時に起きる元素合成で、高速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(rapid:高速)過程と呼ばれる。中性子の多い鉄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支配的なs(slow:低速)過程は、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過程と比較しr過程は未解明の部分が多く、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ている。
  5. 国際共同研究
    国内は、東京理科大学、大阪大学、早稲田大学、東京工業大学、九州大学、東京大学、日本原子力研究開発機構。海外は、ミシガン州立大学、ローレンス・バークレー研究所、INFN研究所、ミラノ大学、ミュンヘン工科大学、ヨーク大学、サリー大学による共同研究。
  6. 寿命測定装置
    理研で独自開発した高性能寿命測定装置(図4参照)で、生成したRIを検出器中で停止させ、RIが崩壊する際に放出される放射線を効率的に測定する。多種類の中性子過剰なRIが混在するビームを、2次元位置検出型シリコン半導体検出器に打ち込み(毎秒、約8個)、RIが検出器中で停止する際の損失エネルギーの空間的分布から、停止の位置を測定する。稀少なRIの寿命を高精度で決定するために、損失エネルギー(10keV~5×106keV)を精度良く測定する特殊読み出し回路を開発・導入したことにより、β線の効率的な検出が可能となり、β崩壊の時間分布からRIの寿命測定を実現した。

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太陽系の元素存在度および標準的な原子核理論を取り入れた 超新星爆発におけるr過程の元素合成分布(理論計算)

図1 太陽系の元素存在度および標準的な原子核理論を取り入れた 超新星爆発におけるr過程の元素合成分布(理論計算)

太陽系の元素存在度の観測データと比較して、理論計算は第2ピーク、第3ピーク下辺(質量数110~125、~180)で1桁以上の過小評価をしている。また、金(質量数197)など質量数が140以上の重い領域でも、少ない見積もりをしている。

核図表

図2 核図表

○は寿命の測定に成功した38個のRI。●は世界で初めて寿命測定した18個のRI。超新星爆発における重元素合成過程(r過程)の経路上のRIに初めて実験的に踏み込むことに成功した。

生成したRIの粒子生成とその識別

図3 生成したRIの粒子生成とその識別

理研が独自に開発した高性能・寿命測定装置

図4 理研が独自に開発した高性能・寿命測定装置

生成したRIビームを、2次元位置検出型シリコン半導体検出器からなるβ線検出器に打ち込む。その後、RIはβ崩壊して壊れる。その崩壊の際に放出される放射線(β線)を効率的に測定し、寿命を決定する。γ線検出器は、原子核の励起状態から放出されるγ線のエネルギーを測定し、中性子過剰な原子核の核構造について詳細に調べる。

クリプトンからテクネチウムまでの寿命の中性子過剰度依存性

図5 クリプトンからテクネチウムまでの寿命の中性子過剰度依存性

非常に中性子過剰なクリプトンからテクネチウムの寿命を測定した。赤線は標準的に利用されている理論予想値。三角データは過去の測定値に対応し、赤丸は理研のRIBFを利用して収集した最新のデータ。ジルコニウムとニオブは、標準的な理論の予想値と比較し、2~3倍以上も速く崩壊することが分かった(緑色)。

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