広報活動

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2015年11月4日

理化学研究所

重いクロム・鉄同位体に広がる変形領域

-日仏共同開発の高機能水素標的装置「MINOS」を使った初の成果-

要旨

理化学研究所(理研)仁科加速器研究センター上坂スピン・アイソスピン研究室のクレメンティーヌ・サンタマリア客員研究員、アレクサンドレ・オベルテッリ客員研究員、上坂友洋主任研究員、櫻井RIビーム物理研究室のピーター・ドルネンバル研究員、櫻井博儀主任研究員らを中心とするSEASTAR(シースター)国際共同研究グループ[1]は、理研の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー(RIBF)」[2]を利用し、生成が難しく従来不可能だった放射性同位元素(RI)[3]に対する実験を実現し、中性子過剰クロム 66Cr (元素番号24、中性子数42)、鉄同位体70, 72Fe (元素番号26、中性子数 44, 46)のガンマ線分光[4]に成功しました。ガンマ線分光の結果から中性子数40で見つかっている変形が、さらに中性子数の大きい領域まで広がっていることが明らかになりました。これは、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した日仏共同グループが開発した高機能水素標的装置「MINOS(ミノス)[5]を用いた初めての成果です。

  現在の原子核物理学では、中性子数と陽子数のバランスが極端に崩れたRIを人工的に作り、新たな性質を見いだす研究が主流となっています。これまでの研究から、同分野の常識を大きく覆す発見がいくつもなされてきましたが、最も重要な発見の1つが、中性子過剰マグネシウム同位体32Mg(元素番号12、中性子数20)で発見された中性子数20での魔法数[6]消失現象です。魔法数の消失と、それに誘起されて異常変形が生じる32Mg領域はのちに「反転の島」[7]と呼ばれ、多くの原子核研究者の注目を集めました。さらに2013年にはRIBFでの研究により、32Mgより中性子過剰側にも異常変形領域が広がっていることが明らかになりました。この領域で起きている大きな構造変化がマグネシウム周辺だけで生じるものなのか、それともより多くの元素で生じる一般的な現象なのか、という疑問が世界の研究コミュニティから投げかけられ、その実験的検証が待たれていました。

国際共同研究グループは、RIBFで核子当たり345 MeV(光速の約70%)まで加速した大強度ウラン(238U:元素番号92、中性子数146)ビームを用いて、鉄周辺の中性子過剰同位体(天然に存在する原子核に比べ著しく中性子の比率が大きい原子核)を人工的に生成し、実験を行いました。RIビームをMINOSに照射し、水素原子核との反応で生じたガンマ線を高効率ガンマ線検出器(DALI2)により検出し、核構造変化の指標となることが良く知られている第一・第二励起状態[8]のエネルギー決定に成功しました。

実験結果から、66Crと70, 72Feの第一励起状態のエネルギーが、中性子数40、42を持つ同位体とほぼ同じであり、中性子数40で見つかっている変形がさらに中性子数の大きい領域まで広がっていることが明らかになりました。このように同様の変形が広い中性子数領域に広がる現象は、中性子数20-26のマグネシウム同位体で見つかっているものと非常に似ており、重いマグネシウム領域で生じている大きな核構造変化が、他の元素領域でも起きているという証拠が得られました。本成果は原子核構造の統一的理解を図るうえで重要な成果であり、今後この現象が中性子魔法数50まで広がっているのかなど、さらに測定の領域を広げた検証実験の実現が期待できます。同時に、本研究でMINOSの有効性が実証されました。今後、日仏を中心としたMINOS共同研究によって不安定核の分光研究が大きく発展すると期待できます。

本研究は理研戦略的研究展開事業の支援を受けて実施され、成果は米国の科学雑誌『Physical Review Letters』に掲載されるのに先立ち、オンライン版(11月3日付け:日本時間11月4日)に掲載されます。

※国際共同研究グループ

理化学研究所 仁科加速器研究センター
上坂スピン・アイソスピン研究室
客員研究員 Clementine Santamaria(クレメンティーヌ・サンタマリア)
客員研究員 Alexandre Obertelli (アレクサンドレ・オベルテッリ)(CEAサクレ-研究所研究員)
主任研究員 上坂 友洋 (うえさか ともひろ)

櫻井RI物理研究室
研究員 Pieter Doornenbal (ピーター・ドルネンバル)
主任研究員 櫻井 博儀 (さくらい ひろよし)

背景

原子の中心にある原子核は、核子(陽子と中性子)で構成されており、この核子の数により原子核の性質が決まります。原子核が比較的安定になる核子の数は「魔法数」と呼ばれ、自然界に存在する約270種類の安定な原子核では、2・8・20・28・50・82・126が知られています(図1)。

核子は飛び飛びのエネルギーを持った軌道に入ります。これら軌道間のエネルギーが近い軌道群を「殻」と呼び、1つの殻に入る核子の数は殻ごとに異なります(図1)。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」モデルを基にして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。

殻構造モデルの提唱以降、魔法数は全ての原子核において変わらず普遍的な定数であると約半世紀にわたって考えられていました。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性同位元素(RI)と呼ばれる不安定な原子核です。

  不安定原子核研究で、最も重要な発見の1つが、1990年代に中性子過剰マグネシウム同位体32Mg(元素番号12、中性子数20)で発見された中性子数20での魔法数消失現象です。魔法数の消失と、それに誘起されて異常変形が生じる32Mg領域はのちに「反転の島」と呼ばれ、多くの原子核研究者の注目を集めました。2007年のRIBF稼働開始後は、より中性子の多い領域での研究が進み、34-38Mg (中性子数 22-26)での大きな変形の発見、中性子過剰ケイ素同位体42Si(元素番号14、中性子数28)での魔法数28消失、ネオン(Ne、元素番号 10)・マグネシウム同位体での新型の中性子ハロー(原子核の周りに薄く霧のように中性子が広がっている状態)の発見などの結果から、安定原子核の領域では見られない大きな核構造の変化が、この領域で生じていることが明らかとなっています。

このように原子核研究分野に大きな波紋を投げかけた「反転の島」周辺での大きな構造変化が、マグネシウム同位体周辺だけで生じるものなのか、それともより多くの元素で生じる一般的な現象なのかという疑問が世界の研究コミュニティから投げかけられ、その実験的検証が待たれていました

研究手法と成果

RIは、一般的に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不安定になり、かつその生成が困難になります。世界の多くの加速器施設では、重イオンビームを標的核に照射してRIを生成しています。この手法では、一般的に中性子が1つ多い同位体の生成には、一桁ないしはそれ以上高強度の重イオンビームが必要であることが知られています。RIBFは世界最高強度の重イオンビームを供給する加速器施設で、群を抜くRI生成能力を持ちます。

国際共同研究グループは、超伝導リングサイクロトロン(SRC) [9]を主体としたRIBFで、光速の70%となる核子当たり345 MeV(メガ電子ボルト)まで加速したウラン(238U:元素番号92、中性子数146)ビームを標的となるベリリウム (Be、元素番号 4)に照射し、核分裂反応でマンガン67Mn(元素番号25、中性子数42)とコバルト71,73Co(元素番号27、中性子数44,46)のRIビームを生成しました。その後、超伝導RIビーム生成分離装置(BigRIPS)[10]で輸送したRIビームを高機能水素標的装置「MINOS(ミノス)」(図2)に照射し、水素原子核との反応により中性子過剰クロム66Cr(元素番号24、中性子数44)と鉄同位体70,72Fe(元素番号26、中性子数44, 46)の励起状態を生成しました。そして、水素原子核との反応で生じたガンマ線を高効率ガンマ線検出器(DALI2)で検出することで、核構造変化の指標となることが良く知られている第一・第二励起状態のエネルギー決定を試みました。

MINOSは、従来に比べて一桁程度高い実験効率を実現するためにフランス原子力・代替エネルギー庁サクレー研究所と理研を中心とした日仏共同グループが開発した装置です。厚い液体水素標的と粒子飛跡検出器(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います。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(RIビームと陽子の反応位置)をTPCで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ます。MINOSは、2013年に日本に輸送された後、日仏共同研究グループにより開発が続けられ、同年7月の理研での液体水素標的部のテスト、10月の放射腺医学総合研究所重イオン加速器(HIMAC)でのTPC部のテストを経て、実用化に至りました。2013年12月には、SEASTAR国際共同研究グループがMINOSを用いたガンマ線分光研究を提案し、その活動を開始しています。今回の実験は、MINOSを用いた最初の実験として、2014年5月にRIBFによって行われました。

図3でTPCによる反応位置補正あり(赤)の場合となし(白)の場合の鉄同位体68Fe (中性子数42)のガンマ線スペクトルの比較をしています。TPCによる反応位置補正により、補正がない場合には見えなかったガンマ線エネルギー1,080 keV、1,300 keVの構造が出現しています。また、既知の870 keVのピークが細く(分解能が高く)なっていることが分かります。

このMINOSの性能を最大限活用して、66Cr (中性子数42)、70, 72Fe(中性子数 44, 46)の励起状態のエネルギーを決定することに成功しました。得られた実験結果から、66Cr、70,72Feの第一励起状態のエネルギーが、おのおの386 keV、480 keV、520 keVと、第二励起状態のエネルギーが1,069 keV、1,346 keV、1,330 keVと分かりました。

次にこの結果を、過去に得た64Cr (中性子数 40)、66,68Fe(中性子数40,42)の励起状態エネルギーと比較しました(図4)。その結果、第一及び第二励起状態のエネルギーが中性子数40-46の領域では、66Crが第一励起状態エネルギー400 keV、第二励起状態エネルギー1,100 keV、70, 72Feが第一励起状態エネルギー500 keV、第二励起状態エネルギー1,350 keVと中性子数に依らずほぼ一定値を持つことが分かりました。この傾向は、通常の原子核で見られる傾向(緑線)とは異なっています。一方、過去RIBFで行われた実験研究から「反転の島」より中性子側のマグネシウム同位体で見つかっている傾向とよく似ています。今回の研究は「反転の島」周辺で生じている大きな核構造変化が、他の元素領域でも起きている証拠といえます。

今後の期待

今回の結果は、原子核構造の統一的理解を図るうえで重要な成果であり、究極の原子核像確立に向けての大きな一歩といえます。今後、陽子魔法数28を持つニッケル(Ni)同位体への展開、クロム、鉄同位体のさらに稀少な同位体への展開を進めることにより、今回発見した現象が中性子魔法数50まで広っているのかどうかなど、さらに観察の領域を広げた検証実験が実現すると期待できます。

同時に、今回の実験でMINOSを用いた研究の有効性を実証したことは、従来の実験装置では行なえなかった生成の極めて難しいRIの研究が可能になることを意味します。今後多くの実験データが得られると期待できます。

原論文情報

  • C. Santamaria, C. Louchart, A. Obertelli, V. Werner, P. Doornenbal, F. Nowacki, G. Authelet, H. Baba, D. Calvet, F. Chateau, A. Corsi, A. Delbart, J.-M. Gheller, A. Gillibert, T. Isobe, V. Lapoux, M. Matsushita, S. Momiyama, T. Motobayashi, M. Niikura, H. Otsu, C. Peron, A. Peyaud, E.C. Pollacco,J.-Y. Rousse, H. Sakurai, M. Sasano, Y. Shiga, S. Takeuchi, R. Taniuchi, T. Uesaka, H. Wang, K. Yoneda, 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, R. Lozeva, K. Matsui,T. Miyazaki, S. Nishimura, L. Olivier, S. Ota, Z. Patel, N. Pietralla, E. Sahin, C. Shand, P.-A. Soderstrom, I. Stefan, D. Steppenbeck, T. Sumikama, D. Suzuki, Zs. Vajta, J. Wu, and Z. Xu, "Extension of the N=40 Island of Inversion towards N=50: Spectroscopy of 66Cr, 70,72Fe", Physical Review Letters, doi: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.192501

発表者

理化学研究所
仁科加速器研究センター 上坂スピン・アイソスピン研究室
主任研究員 上坂 友洋 (うえさか ともひろ)
客員研究員 Clementine Santamaria (クレメンティーヌ・サンタマリア)
客員研究員 Alexandre Obertelli (アレクサンドレ・オベルテッリ)

仁科加速器研究センター 櫻井RI物理研究室
主任研究員 櫻井 博儀 (さくらい ひろよし)
研究員 Pieter Doornenbal (ピーター・ドルネンバル)

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
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補足説明

  1. SEASTAR(シースター)国際共同研究グループ
    SEARSTARは、MINOSを用いたガンマ線分光研究のために結成された国際共同研究グループである。グループには、理化学研究所、CEAサクレ-研究所(フランス)、ダルムシュタット工科大学(ドイツ)、イェール大学(米国)、ストラスブール大学(フランス)、東京大学、立教大学、ブライトン大学(英国)、原子核科学技術研究所(ベトナム)、原子核研究所 (ハンガリー)、オルセー原子核物理研究所(フランス)、オスロ大学(ノルウェー)、香港大学(中国)、サレー大学(イギリス)、東北大学、北京大学(中国)が参加している。
  2. RIビームファクトリー(RIBF)
    理研が有するRIビーム発生施設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。RIビーム発生施設は、2基の線形加速器、5基のサイクロトロンと超伝導RIビーム分離生成装置「BigRIPS」で構成される。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個のRIを生成できる。
  3. 放射性同位元素 (RI)
    物質を構成する原子核には、時間とともに放射線を放出しながら安定核になるまで壊変し続けるものがある。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。天然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。
  4. ガンマ線分光
    原子核から放出される電磁波の一種であるガンマ線のエネルギーを測定することにより、原子核の構造に関する情報を引き出す研究手法。
  5. 高機能水素標的装置「MINOS(ミノス)」
    従来に比べて一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した日仏共同グループが製作した装置。約15cm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。
  6. 魔法数

    原子核は、原子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。理研では、新たに16、34の魔法数の発見を報告している。

  7. 反転の島
    重いマグネシウム周辺の領域で中性子魔法数20が消失する原因として、中性子数と陽子数のバランスが極端に崩れると、一部の中性子が占める軌道の順番が通常と逆になり、本来球形であるべき魔法数周辺の原子核が変形する、という考えが提案された。
    この配位の反転が生じている原子核の領域を、通常の原子核の「海」に浮かぶ核図表上の「島」になぞらえ、反転の島(Island of Inversion)と呼ぶようになった。
  8. 第一・第二励起状態
    原子核は通常、「基底状態」と呼ばれるエネルギーが最低の状態にあるが、外からエネルギーを与えると基底状態とは異なった状態になる。これを「励起状態」と呼ぶ。多くの励起状態がある中で、一番エネルギーが低い状態が第一励起状態、二番目に低い状態が第二励起状態と呼ばれる。
  9. 超伝導リングサイクロトロン(SRC)
    サイクロトロンの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。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。SRCを使い非常に重い元素であるウランを高速の70%まで加速できる。また、超伝導という方法により、従来に比べ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。
  10. 超伝導RIビーム生成分離装置(BigRIPS)
    ウランなどを1次ビームとして生成標的に照射することによって生じる大量の不安定核を集め、必要とする放射性同位元素(RI)を分離し、RIビームを供給する装置。RIの収集能力を高めるために超伝導四重極電磁石が採用されており、他の施設に比べ約10倍の収集効率を持つ。

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安定核での殻構造と魔法数

図1 安定核での殻構造と魔法数

横線が各軌道を示し、左側に示した四角内の数字が、それぞれの殻に入る核子の数を表している。核子数を丸で囲んだ2,8,20,28, 50, 82. . . は「魔法数」と呼ばれ、このとき原子核は特に安定となる。

MINOS(青及び灰色で示した部分)とDALI2(黄色)

図2 MINOS(青及び灰色で示した部分)とDALI2(黄色)

左から飛んでくるRIビームが液体水素標的(青色の部分)で核反応を起こす。核反応の際、2つの陽子が放出されるのと同時に、高効率ガンマ線検出器(DALI2)でガンマ線を検出することにより、励起状態のエネルギーを精度よく決めることができる。

鉄同位体68Fe(元素番号26, 中性子数32)のガンマ線エネルギースペクトル

図3 鉄同位体68Fe(元素番号26, 中性子数32)のガンマ線エネルギースペクトル

MINOSに搭載された粒子飛跡検出器(TPC)による反応位置補正あり(赤)の場合の方が、なし(白)の場合に比べて分解能が高くなっていることが分かる。

クロム及び鉄同位体の励起エネルギー

図4 クロム及び鉄同位体の励起エネルギー

66Cr、70,72Feの第一及び第二励起状態のエネルギーを過去のデータ(白丸)および殻模型理論(赤の二点鎖線)と比較したもの。黒丸が今回の研究結果を示す。

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