理研、従来の理論で説明不能な「荷電対称性」が破れている原子核を発見

理化学研究所(理研)は5月19日、これまで陽子同士の間に働く核力と、中性子同士の間に働く核力は同じ大きさと考えられてきており、陽子36個・中性子34個で構成される「クリプトン-70」と陽子34個・中性子36個の「セレン-70」のように鏡映核の関係にある原子核では働く核力が同じなので形状も同じになると思われていたが、「クリプトン-70」と「セレン-70」では形状が大きく異なっており、「荷電対称性の破れ」があることを発見したと発表した。

同成果は、理研仁科加速器科学研究センター RI物理研究室のカトリン・ウィマー客員研究員(現・スペイン・IEM-CSIC研究員)、ピーター・ドルネンバル専任研究員、櫻井博儀室長、フランス・CEA-IRFUのヴォルフラム・コルテン上級研究員らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、米物理学会発行の学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。

原子核を構成する陽子と中性子は核力で結びついている。陽子と中性子の主な違いが電荷があるかないかの違いだけであることから、同じ大きさの核力が働くと考えられている。陽子同士の間で働く核力と、中性子同士の間で働く核力は同じであり、これが「荷電対称性」と言われている。

原子核の構造に荷電対称性が成立すると仮定した場合、原子核中の陽子を中性子に、中性子を陽子に変換しても原子核の性質は、陽子の違いによる電気的な効果を除くと同じになるはずである。そのような互いに陽子と中性子を入れ替えた関係にある原子核は「鏡映核」と言い、例えば陽子が8個・中性子が6個の「酸素-14」と、陽子が6個・中性子が8個の「炭素-14」は、互いに鏡映核の関係にあるとされている。

荷電対称性の研究は、核図表の拡大と共に軽い原子核からより重い原子核へと対象を広げてきており、質量数74までの原子核では、鏡映核同士の第1励起準位エネルギーについて荷電対称性が成立することがこれまでの研究からわかっている。一方、原子核の形状については、これまで実験的な制約から質量数50までしか研究されていなかったという。

こうした背景を受け、研究チームは2019年、陽子36個・中性子34個のクリプトン-70(⁷⁰Kr)の励起準位エネルギーの観測を実施、基底状態と形状の異なる状態が存在している可能性を指摘していた。それを受け、今回の研究では、⁷⁰Krの形状に関する情報を取得する実験を行うことにしたという。

核図表に見る、荷電対称性研究の対象となっている原子核。陽子数20以上(カルシウム以上)、40以下(ジルコニウム以下)の領域において、陽子数Zと中性子数Nが同じ原子核を中心にして、鏡映核同士の原子核の性質が研究されている。今回の研究対象は、陽子36個・中性子34個の原子核を持つ⁷⁰Kr(赤色)。これまで、荷電対称性の研究は励起エネルギーについては質量数74までの原子核(緑色)、形状(変形度)については質量数50までの原子核(青色)について研究されていた。黒色の原子核は安定核を示したもの (出所:理研Webサイト)

具体的には、原子核の形状(変形度)を調べるため、クーロン励起法を用いて⁷⁰Krの電気遷移確率の測定を実施することにしたという。

実験では、陽子36個・中性子42個のクリプトン-78(⁷⁸Kr)を加速し、⁷⁰Krの大強度ビームを生成。

今回の実験のセットアップ。超伝導リングサイクロトロンで加速した⁷⁸Krをベリリウム標的に照射し、超伝導RIビーム生成分離装置を利用して⁷⁰Krビームが生成された。それが金標的に照射され、クーロン励起で励起準位を作り、脱励起ガンマ線を高効率ガンマ線検出器にて観測が行われた。右下のグラフはゼロ度スペクトロメータで⁷⁰Krが観測された際のガンマ線のエネルギー分布。それから⁷⁰Krの励起準位が生成された確率(電気遷移確率)を求めることが可能だという (出所:理研Webサイト)

実験で得られた⁷⁰Krの電気遷移確率に対し、鏡映核であるセレン-70(⁷⁰Se、陽子34個・中性子36個)、および「臭素-70」(⁷⁰Br、陽子35個・中性子35個)の電気遷移確率との比較が行われたところ、⁷⁰Krの実験値は予想値よりも大きく、⁷⁰Krは⁷⁰Seと比べて大きく変形していること、つまり荷電対称性が大きく破れていることが判明したという。

質量数70の原子核の電気遷移確率。⁷⁰Seと⁷⁰Brの電気遷移確率の値と荷電対称性から、⁷⁰Krの電気遷移確率を予想することが可能だという(緑色の線)。今回の研究による⁷⁰Krの実験値は予想値よりも非常に大きく、鏡映核の⁷⁰Seに比べて大きく変形していることが判明した。理由はまだわかっていないが、これは荷電対称性が大きく破れていること示しているとする (出所:理研Webサイト)

このようにして大きな荷電対称性の破れが発見されたが、現在の理論モデルでは説明できないため、なぜ荷電対称性が破れているのかは不明だという。

研究チームによると、観測された荷電対称性の大きな破れがクリプトンに特有の現象かどうかを調べるためには、今後、周辺の原子核の電気遷移確率を系統的に測定する必要があるという。これら稀少放射性同位体は現在、世界でも理研RIビームファクトリーでのみデータを取得可能なことから、同施設での研究展開が期待できるとする。

また、クーロン力は重い原子核ほど大きく、超重元素領域での核構造に大きな変化をもたらすため、今回の研究成果が契機となり、クーロン力が原子核の構造に与える影響について、理論研究の議論が活発になることが見込まれるともしているほか、重い原子核の成り立ちを深く理解することにより、核分裂やアルファ崩壊などに対する理解が進み、核のゴミ処理方法や宇宙での重元素生成などへの基礎研究へと発展していくことが期待できるともしている。