大阪公立大学(大阪公大)は7月24日、ヘリウムの同位体で、陽子2個と中性子6個からなるヘリウム8(8He)原子核内において、4中性子間の相関が強まる可能性に着目し、多数の中性子配位を混合する大規模数値計算により量子力学の方程式を解いた結果、8Heは「2中性子の塊が2個、ヘリウム4の周りに存在する」という特殊な構造を持っていることと、その具体的配置を示したことを発表した。

  • 今回発見された8He原子核構造の模式図。2中性子の塊(2n)が2個、4Heの周りに存在する。赤玉が陽子、青玉が中性子を表している。

    今回発見された8He原子核構造の模式図。2中性子の塊(2n)が2個、4Heの周りに存在する。赤玉が陽子、青玉が中性子を表している。(出所:大阪公大プレスリリースPDF)

同成果は、大阪公大大学院 理学研究科の山口雄紀大学院生、同・堀内渉准教授、同・板垣直之教授、同・市川隆敏氏らの研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する原子核物理に関する全般を扱う学術誌「Physical Review C」に掲載された。

原子は、中心の小さな原子核と、その周囲に存在する電子からなる。原子のおよそ1万～10万分の1といわれる原子核は、水素を除けば陽子と中性子という核子で構成されている(軽水素は陽子のみ)。これら核子の間に働くのが、核力あるいは強い相互作用で、核子同士はこの力によって結合状態を作っている。ただし、2個の中性子だけでは引力がわずかに足りず、結合状態を作れないことがわかっていた。

そうした中、最近になって、4個の中性子ではどうかという議論が、実験・理論の双方において活発に行われているという。4中性子の場合も2中性子と同様に、陽子なしで結合することは難しいのは間違いないが、それでも「4中性子状態」を示唆する実験結果が報告されており、4中性子状態なら寿命はあるが存在できる可能性が指摘されているとする。

もし寿命があるとしても存在できるのだとしたら、問題は4中性子状態が原子核中でどのように現れるのかという点だ。通常の原子核中では、個々の核子は原子核中心から引力を受け、中心の周りにおいて独立して運動すると考えられている。しかし、中心から受ける引力の弱い、弱結合の原子核においては、2中性子を1つの塊と見なした成分が重要になることが知られていた。そこで研究チームは今回、ヘリウム同位体の1つで、結合限界にある8He原子核に注目して研究に取り組んだという。

8He原子核は、通常のヘリウム4(4He)原子核(陽子数2・中性子数2)の周りに4個の中性子が付与された「中性子過剰核」だ。この中性子過剰核は天然には存在せず、星の中など、宇宙環境における元素合成過程で大量に生成されると考えられており、身の回りの元素の起源を解き明かす鍵となるものと考えられている。また、中性子過剰核は陽子と中性子の数の比が釣り合っていないため、中性子が弱く結合するという特徴を持つ。さらに、4Heの周りでの4中性子は、原子核中で同じ中性子軌道を占有できるという性質があるという。

研究チームはこれらの性質を考慮し、8He原子核内において、4中性子の間の相関が強まる可能性を検討するため、量子力学の方程式を解くべく、多数の中性子配位を混合する大規模な数値計算を実行した。その結果、8Heにおいては、2中性子の塊(2n)が2個、4Heの周りに存在し、さらにそれらがどのような「形」(具体的な配置)を持っているのかを示したとする。

  • 8He原子核における4中性子成分の分布。Dは4He-2n間距離(fm)、Θは4Heを中心とした2n間の角度が表されている。

    8He原子核における4中性子成分の分布。Dは4He-2n間距離(fm)、Θは4Heを中心とした2n間の角度が表されている。(出所:大阪公大プレスリリースPDF)

研究チームは今回の結果から、通常は中性子だけからなる原子核は存在できないが、人工的に生成可能な短寿命原子核の中では、4中性子系が安定して存在する可能性があるとしている。そして今後、さらに重い結合限界原子核の構造を調べ、特異な4中性子相関の普遍性を探っていくとする。

また今回の研究結果は、「8He原子核が変形している」とするカナダで行われた最新の実験結果とも矛盾がなく、今後さらなる実験的検証が期待されるとのこと。加えて、今なお未知な点が多い中性子の結合形態について、今回の結果は新たな示唆を与えるもので、身の回りにある元素の起源に対する理解を深めるものとしている。