広報活動

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2017年2月17日

理化学研究所
北京大学

中性子過剰核94種の寿命測定に成功

-重元素合成r過程・希土類元素の起源解明に大きく前進-

私たちの宇宙は約138億年前、ビッグバンによって誕生したと考えられています。ビッグバンからまもなく陽子と中性子が生成され、さらに水素やヘリウムが生成されました。現在の自然界には原子番号1の水素から92のウランまでの元素が、安定に存在しています。原子番号26の鉄より軽い元素(軽元素)は、星の中で原子核同士の反応により作られますが、鉄より重い元素(重元素)の合成の起源はよく分かっていません。

原子番号21のスカンジウム、39のイットリウム、57~71までの15元素(ランタノイド)を含む17元素を希土類と呼びます。希土類元素合成の起源として、重い星がその一生を終えるときに起こす「超新星爆発」が考えられています。超新星爆発が起こると大量の中性子が作られ、星の中にある軽元素の原子核が中性子を次々と吸収ながらベータ崩壊を起こし、安定な重い原子核になります。この一連の爆発的重元素合成過程は高速(rapid)に連続して起こるため、「r過程」と呼ばれています。r過程の時間スケールや重元素の生成量を理解するためには、原子核の寿命を知る必要がありますが、これまで理論計算に頼っており不確定性が大きいため、実験的な検証が求められていました。

今回、理研を中心とした国際共同研究グループは理研の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー」を利用して、希土類元素の合成に関わる中性子過剰核を生成し、その寿命測定を試みました。まず、大強度のウランビームをベリリウム標的に照射し、セシウム(原子番号55)からホルミウム(原子番号67)まで13元素の中性子過剰核を識別しました。それらを高性能寿命測定装置「WAS3ABi」に打ち込むことにより、中性子過剰核94種の寿命を測定することに成功しました。このうち57種は今回初めて測定されたものです。また、得られた寿命の系統性を調べたところ、中性子数N=97とN=105において、崩壊スピードが急激に速くなる現象を見いだしました。さらに、得られたデータをr過程の理論計算に取り込み、太陽系の重元素合成の検証を行った結果、超新星爆発を起因とした場合の希土類元素の存在度を決定する上で、新たな57種のデータが重要な役割を果たすことが分かりました(図参照)。

今後、寿命のデータに加え、質量、遅発中性子放出、核分裂に関する情報を収集することにより、希土類元素、金、ウランなどの元素合成の起源を解明できると期待できます。

観測による太陽系の元素存在度と超新星爆発を起因とした場合の予想元素存在度の図

図 観測による太陽系の元素存在度と超新星爆発を起因とした場合の予想元素存在度

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
国際プログラム・アソシエイト ウー・ジン (吴 锦)
(北京大学 研究員)
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)