広報活動

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2013年10月10日

独立行政法人理化学研究所
国立大学法人東京大学

重いカルシウムで新しい「魔法数」34を発見

-原子核物理学の夢の1つ「安定原子核の島」到達の手掛かりに-

ポイント

  • カルシウム‐54は魔法数を2つ持ち原子核で特別な性質があると期待
  • RIビームファクトリーを使い、わずか10時間でカルシウムの同位体の性質を測定
  • 魔法数が現れる新しい法則や未知の領域での魔法数の探索へ

要旨

理化学研究所(理研、野依良治理事長)と東京大学(濱田純一総長)は、重いカルシウム同位体の研究から、新しい魔法数34を発見しました。これは、理研仁科加速器研究センター(延與秀人センター長)櫻井RI物理研究室のデービッド ステッペンベック 元国際特別研究員(現 東京大学 特任研究員)、武内聡協力研究員らを中心とする国際共同研究グループ[1]の成果です。

原子核がとくに安定になる陽子または中性子の数は「魔法数」と呼ばれ、これまでに2、8、20、28、50、82、126が知られています。魔法数は、1949年に提案され、多くの実験データの説明に成功した後、不変のものと考えられ、1963年に魔法数を証明したマイヤーとイェンセンはノーベル賞を受賞しました。しかし、近年の研究から陽子に比べて中性子が非常に多い原子核では、既存の魔法数が魔法数として成り立たなくなることが分かり、2000年には理研の研究グループにより新しい魔法数[2]16が発見されました。これらのことから、従来説が異なる可能性がでてきたため、魔法数研究の重要性が世界的に認識されるようになりました。理論面では、2001年に東京大学の研究グループが、陽子数が魔法数20のカルシウム同位体で、中性子数34が新たな魔法数として出現すると予言しましたが、実験的検証が難しいためこれまで解決されないままでした。

国際共同研究グループは、世界最高性能の理研仁科加速器研究センターの重イオン加速器施設「RIビームファクトリー(RIBF)[3]」を使い、「カルシウム‐54(54Ca)」の中性子数34が魔法数かどうかを調べました。自然界には存在しない54Caを生成するため、亜鉛‐70(70Zn)を大強度で加速し、スカンジウム‐55(55Sc)などの中性子過剰な放射性同位元素(RI)をRIビームとして取り出しました。さらに、55ScのRIビームをベリリウム(Be)標的に照射することで54Caを生成し、その励起準位[4]の測定に成功しました。54Caの励起準位のエネルギーは、周りの原子核に比べて大きく、また理論的に解析したところ中性子数34が魔法数であることを世界で初めて見いだしました。今回、RIBFによる所期のデータの取得はわずか10時間で行うことができ、RIBFが成果創出の高い効率性を持つことを世界に示しました。

カルシウム同位体において中性子数34が魔法数であることを明らかにし、10年来の問題に決着がつきました。今回の成果により、魔法数が現れる新しい規則性や、不安定原子核をも包含する原子核の成り立ちの統一的理解へ向け、大きな一歩を踏み出しました。

本研究成果は、英国の科学雑誌「Nature」(10月10日号)に掲載されます。

背景

原子の中心には核子(陽子と中性子)から構成される原子核があり、この核子の数により原子核の性質が変化します。原子核が比較的安定になる核子の数のことを魔法数と呼び、これまでに、2、8、20、28、50、82、126が知られています(図1)。核子は、量子力学的にエネルギーが飛び飛びの軌道に入ります(図2)。これら軌道間のエネルギーが近い軌道群を「殻」と呼び、1つの殻にはいる核子の数は殻ごとに異なります。魔法数は、殻間のエネルギーが大きなところに現れます。1949年に、米国のマイヤーとドイツのイェンセンは、軌道や殻間のエネルギーギャップに関する、原子核の「殻構造」モデルを提唱することで魔法数を説明することに成功しました。この発見により2人は1963年にノーベル物理学賞を受賞しました。それ以来、魔法数は全ての原子核において変わらないものとして長く考えられてきました。

2000年に理研の研究グループはRIビームを利用した実験によって、陽子に比べ中性子の数が多い不安定原子核の領域では、魔法数8、20、28が消えて、新たな魔法数6、16、32が出現することが見いだされ(図1)、これまでの常識を大きく覆す現象を発見してきました。新しい魔法数が出現した理由として、特定の軌道のエネルギーが変わり、殻構造が変化したからだ、と考えられます(図2)。「殻構造が不安定核領域で変化する理由はなにか?」、「安定核と不安定核を統一的に理解して、原子核に現れる魔法数の法則性を明らかにできないか?」といった問いに対して、理研仁科加速器研究センターでは実験的な立証をするための挑戦が続けられており、重イオン加速器施設「RIBF」を用いた未知の原子核領域で殻構造の変化や新しい魔法数を探索しています。

同時に、理研での新しい魔法数の発見が起爆剤となって、魔法数に関する理論的な検討も進んできました。2001年には東京大学の研究グループが「中性子過剰なカルシウム同位体で、中性子数34が魔法数となる」と予言し、その後34が魔法数となるか否かが議論となっていました。しかし、実験上の困難から、世界各地の先端的な研究機関での実験で魔法数34の証拠が中々見つからなかったので、そもそもそんなものはないのではないか、という指摘もされていました。国際共同研究グループは、カルシウム‐54(54Ca:陽子数20、中性子数34)の中性子数34が魔法数であるかどうかを調べる実験を、RIBFが稼動した2007年に計画し、2008年には原子核の粒子識別装置「ゼロ度スペクトロメータ」が完成、2012年にようやく待ちに待った本実験を行うことができました。

研究手法と成果

魔法数を持つ原子核は比較的安定であり、その原子核の励起準位のエネルギーが高くなる特徴があります(図3)。国際共同研究グループは、54Caの励起準位を生成し、そのエネルギーを測定することで54Caを調べました。励起準位をつくる方法として、理研が独自開発した2段階破砕反応法[5]を用いました(図4)。

国際共同研究グループは、54Caの励起準位を生成するために、まず超伝導リングサイクロトロン(SRC)[6]で亜鉛‐70(70Zn:、陽子数30、中性子数40)を光速の約70%(核子当たり345 MeV:メガ電子ボルト)まで加速して、標的原子核のベリリウム(Be)に照射し、核破砕反応を起こさせます。すると70Znの陽子や中性子がはぎ取られて、さまざまな種類の原子核ができます。次に、その中から、超伝導RIビーム生成分離装置(BigRIPS)[7]を用いてスカンジウム‐55(55Sc:陽子数21、中性子数34)やチタン‐56(56Ti:陽子数22、中性子数34)をビームとして分離・生成します。これらの不安定核は、54Caに比べて陽子数が1つ2つ多く、中性子数が同じです。この55Scと56TiのビームをBeに照射し、2回目の核破砕反応を起こさせて陽子をはぎ取り、54Caを生成しました。54Caの生成は、ゼロ度スペクトロメータで確認しました。さらに、54Caの生成と同時に脱励起で放出されるガンマ線を、標的原子核の周りに配置した高効率ガンマ線検出器で測定したところ、54Caの励起準位のエネルギー値は、2043keV(キロ電子ボルト)でした(図5)。今回の実験では、他の加速器施設では最低でも2週間程度の時間がかかるところを、わずか10時間という短時間で所期データを取得することに成功し、RIBFの持つ成果創出の高い効率性を世界に示しました。

これまで、54Caの励起準位のエネルギー値は、さまざまな理論模型により予想値に大きな拡がり(1400~3800keV)があったこともあり、中性子数34が魔法数かどうかの議論がありました。今回の実験により、54Caの励起準位のエネルギー値は2043keVと決まりました。これは、中性子数32の励起準位のエネルギーに比べると少し低いですが、魔法数ではない24、26、30のそれと比べると大きいことが分かります。また、カルシウム同位体よりも陽子が2つ多いチタン同位体では、中性子数34での励起エネルギーは1200keVで、中性子数30とほぼ同じで小さい値となっていますが、カルシウム同位体になると2043keVまで増え、安定性が急増します。もし、中性子数34が魔法数でないならば、カルシウム同位体でもチタン同位体と同様の結果になるはずですが、そうなっていないことは中性子34が魔法数であることを示唆しています。そこで、54Caの励起準位のエネルギー値を理論モデルに適応し計算したところ、殻が大きく変化し、中性子数34が魔法数となっていることが分かりました(図6)。

今後の期待

今回、54Caの中性子数34は魔法数であることが分かりましたが、54Caの陽子数20も魔法数であり、陽子数・中性子数ともに魔法数を持つ原子核は他の原子核にはない特別な性質を持つことが期待されます。今後、54Caの特異性を明らかにするために、54Caよりも重く中性子過剰な55Caや56Caの励起準位や質量、電磁モーメントを測定することが重要になります。また、原子核物理学の分野において重要な「安定原子核の島[8]」への到達を目指した研究では、ウランよりも重い超重元素をつくる必要があります。そのために、54Caと別の原子核を融合させる手法が有効かもしれません。さらに、宇宙での元素合成過程で、54Caが重要な役割を果たしている可能性もあります。

今回の54Caの場合に起きた殻の変化について、魔法数34を予言した理論では、湯川秀樹博士が提唱したパイ中間子によって生成される核力の非中心力[9]の成分が鍵を握っています。この非中心力はテンソル力と呼ばれ、陽子、中性子の数によってその効果が変わり、軌道のエネルギーを変化させます(図2)。このテンソル力効果はカルシウム領域だけではなく、全ての原子核に適用でき、未知の領域の魔法数の喪失現象も予想しています。理論と実験とが両輪となり、安定核だけでなく不安定核も包括した原子核の成り立ちについての統一的な理解に向けて研究が進み、殻の変化を引き起こす謎が解明されつつあります。

今後も理研仁科加速器研究センターではRIBFを用いて、54Ca周辺だけでなく、未知の領域で新しい魔法数や魔法数喪失現象の探索を行います。その結果として、理論ではまだ予想されていない新しい殻構造の変化を発見できるかもしれません。

原論文情報

  • D. Steppenbeck, S. Takeuchi, N. Aoi3, P. Doornenbal, M. Matsushita, H. Wang, H. Baba, N. Fukuda, S. Go, M. Honma, J. Lee, K. Matsui, S. Michimasa, T. Motobayashi, D. Nishimura, T. Otsuka, H. Sakurai, Y. Shiga, P.-A. Söderström, T. Sumikama, H. Suzuki, R. Taniuchi, Y. Utsuno, J. J. Valiente-Dobón & K. Yoneda
    "Evidence for a new nuclear `magic’ number from the level structure of 54Ca",
    Nature, 2013,doi:10.1038/nature12522.

発表者

国立大学法人東京大学
原子核科学研究センター
特任研究員 David Steppenbeck (デービッド ステッペンベック)
(当時 独立行政法人理化学研究所 仁科加速器研究センター 櫻井RI物理研究室 国際特別研究員)

独立行政法人理化学研究所
仁科加速器研究センター 櫻井RI物理研究室
協力研究員 武内 聡 (たけうち さとし)

お問い合わせ先

仁科加速器研究推進室
Tel: 048-467-9451 / Fax: 048-461-5301

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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産業利用に関するお問い合わせ

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補足説明

  1. 国際共同研究グループ
    理化学研究所、東京大学、大阪大学・核物理研究センター、東北大学、東京理科大学、立教大学、会津大学、日本原子力研究開発機構、イタリア・レニュアーロ研究所
  2. 新しい魔法数
    2000年に理研の研究グループが新魔法数16を重い酸素同位体で発見(A. Ozawa et al, Physical Review Letters 84, 5493 ,2000)したのを契機に、多くの研究が行われている。「16」のほかに、中性子過剰なヘリウム同位体に現れる中性子数「6」、中性子過剰な炭素同位体での陽子数「6」が新しい魔法数と考えられている。一方、2001年に東京大学の研究グループによる理論研究の論文(T. Otsuka et al., Physical Review Letters 87, 082502 ,2001) では、核力と呼ばれる陽子や中性子に働く力の重要な性質として、中性子過剰な不安定核では魔法数がある法則に基づいて変わることが指摘され、その一例として中性子数34が予言されていた。しかし、実験的検証が難しいため、その正当性が議論されてきた。
  3. RIビームファクトリー(RIBF)
    RIとはラジオアイソトープ(放射性同位元素)のことで、その元素を用いた量子ビームをRIビームと呼ぶ。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重イオン加速器施設。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ビーム生成分離装置(BigRIPS)で構成される。従来、生成不可能であったRIも生成でき、世界最多となる約4,000種のRIを生成する性能を持つ。
    参考:RIビームファクトリーの施設
  4. 励起準位
    原子と同じように、原子核にはエネルギーが最も低い基底状態と基底状態に比べてエネルギーの高い励起準位がある。励起準位は複数あり、量子論的に飛び飛びの値をとる。今回取り扱った励起準位は第一励起準位で、基底状態の次に現れる最初の励起準位。
  5. 2段階破砕反応法
    加速器で加速された1次ビームから直接研究対象となる原子核を作らず、中間段階の原子核をRIビームとして取り出し、2次反応で対象核をつくる方法。励起した原子核から放出されるガンマ線を観測するにはこの方法が非常に有効。RIBFではBigRIPSとゼロ度スペクトロメータを組み合わせて、簡単に実験することができる。
  6. 超伝導リングサイクロトロン(SRC)
    リングサイクロトロンの1種。サイクロトロンの心臓部に当たる電磁石に超伝導を活用し、高い磁場を発生できる。円形コイルに超伝導を使ったサイクロトロンは世界に約10台あるが、理研が建造したSRCは、コイルがおむすび形で世界初の例となる。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付与している。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の70%まで加速できる。
  7. 超伝導RIビーム生成分離装置(BigRIPS)
    標的では1次ビームが反応によって不安定核に変わるが、この不安定核を集めて必要とするRIを分離し、実験グループにRIビームを供給する装置。BigRIPSは、RIの収集能力を高めるため、超伝導四重極電磁石が採用されており、ドイツの重イオン研究所(GSI)など他の施設に比べ約10倍の明るさを持つ。
  8. 安定原子核の島
    理論で予想されている、陽子数112~120、中性子数184の安定した原子核の存在領域。半減期は1日~1年程度と見積もられており、この安定原子核を人工的に生成することは原子核物理学の大きな夢の1つである。
  9. 非中心力
    電気を帯びた粒子間にはクーロン力が働き、その力は距離だけによるが、核子の間に働く核力には距離だけではなく、スピンに依存した非中心力成分(テンソル力)がある。このような性質は、パイ中間子の交換によって核力が生じるために発現し、湯川秀樹博士の中間子論にも深く関係している。このような力による「殻進化(Shell Evolution)」は、東京大学グループで世界に先駆けて理論的に提唱されたもので、多くの中性子過剰な不安定核(エキゾチック核)で様々な形でその効果を表し、それらはRI ビームによる実験研究の世界的に重要なテーマとなっている。

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核図表と原子核の魔法数の図

図1 核図表と原子核の魔法数

この図は、陽子数(縦軸)と中性子数(横軸)を座標軸にとって、既知および概念上の核種全てを配置したもので、核図表と呼ぶ。黒い四角は安定な原子核で、魔法数2、8、20、28、50、82、126が知られている。陽子に比べ中性子の数が多い不安定な原子核の領域では、魔法数のうち8、20、28が消えて、新たに魔法数6、16、32が現れる。今回、中性子過剰なカルシウム同位体54Caから、中性子数34が新たな魔法数であることが分かった。

安定核での殻構造(左)と中性子過剰核での殻構造(右)の図

図2 安定核での殻構造(左)と中性子過剰核での殻構造(右)

左端の四角はそれぞれの殻に入る核子の数、丸で囲ってある数値は魔法数を示す。

魔法数と励起準位のエネルギーの図

図3 魔法数と励起準位のエネルギー

魔法数を持つ原子核では、励起準位のエネルギーが高い。

実験の概略図

図4 実験の概略図

54Caの励起準位を生成するために、まずSRCで70Zn(陽子数30、中性子数40)を光速の約70%まで加速し、標的原子核のBeに照射し核破砕反応を起こさせる。すると、70Znの陽子や中性子がはぎ取られさまざまな種類の原子核が出来る。次に、そのなかから、BigRIPSを用いて54Caに比べて陽子数が1つ2つ多く、中性子数が同じである不安定核の55Sc(陽子数21、中性子数34)と56Ti(陽子数22、中性子数34)をビームとして分離・生成する。これらのビームをBeに照射し、2回目の核破砕反応を起こし陽子をはぎとることで、54Caを生成した。54Caの生成は、ゼロ度スペクトロメータで確認した。

カルシウム、チタン、クロム同位体の励起準位エネルギーの中性子数依存性(左)中性子数N=30, 32, 34の同位体の励起準位エネルギーの陽子数依存性(右)

図5 カルシウム、チタン、クロム同位体の励起準位エネルギーの中性子数依存性(左)中性子数N=30, 32, 34の同位体の励起準位エネルギーの陽子数依存性(右)

左:クロム-24(青線)、チタン-22(赤線)、カルシウム-20(緑線)の励起準位のエネルギー、および今回測定した54Caの励起準位のエネルギー(赤四角)を表示。実験前のさまざまな理論モデルによる54Caの予想励起準位のエネルギー値は、1400~3800keVまで広がっており、各々のモデルの仮定や意義は別として、予想することが難しかったことが分かる。

右:中性子数Nが30(青線)、32(赤線)、34(緑線)の原子核の励起準位エネルギーの陽子数Z依存を示した。N=32、34のときZが20、28の魔法数になると、励起エネルギーが高くなる。N=30ではZ=20でも大きくはならない。N=34では、Zが22から20に変わると、エネルギーが突然大きくなることが分かる。

魔法数34が出現する理論的な解釈の図

図6 魔法数34が出現する理論的な解釈

陽子は赤い丸、中性子は青い丸で表示。陽子、中性子にそれぞれ殻があり、下から順番に陽子、中性子が詰まっていく。aは鉄-60、bはクロム-58、cはチタン-56、dはカルシウム-54。
鉄からカルシウムにかけて陽子数は、26、24、22、20と減っていく。中性子数は全ての同位体で34。最も外側にある陽子の軌道はπf7/2軌道であり、この軌道と相性のよい中性子の軌道は、vf5/2の軌道である。陽子数が一番多い鉄の場合、中性子のvf5/2軌道が最も安定したところに位置し、陽子の数が減少していくと陽子・中性子間の相互作用が弱くなり、徐々に不安定になり中性子のvf5/2軌道は離れていく。この時、軌道間にエネルギーギャップが存在すると、その時の陽子数、中性子数は魔法数となる。カルシウムでは、とても不安定になってvf5/2の下にエネルギーギャップが生じ、魔法数34が出現する。

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