プレスリリース：原子核の存在限界（中性子ドリップライン）の新たなメカニズム

原子核の存在限界（中性子ドリップライン）の新たなメカニズム
ー中性子は原子核にいくつ入るかー

東京大学大学院理学系研究科
理化学研究所
日本原子力研究開発機構
上智学院
宇都宮大学
日本大学文理学部
2020年11月5日

発表者

大塚孝治: （東京大学名誉教授／理化学研究所仁科加速器科学研究センター核分光研究室客員主管研究員
日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター客員研究員）
角田直文: （東京大学大学院理学系研究科附属原子核科学研究センター元特任助教）
高柳和雄: （上智大学理工学部教授）
清水則孝: （東京大学大学院理学系研究科附属原子核科学研究センター特任准教授）
鈴木俊夫: （日本大学文理学部特任教授）
宇都野穣: （日本原子力研究開発機構先端基礎研究センターマネージャー・主任研究員）
吉田聡太: （宇都宮大学大学教育推進機構基盤教育センター特任助教）
上野秀樹: （理化学研究所仁科加速器科学研究センター核分光研究室室長）

発表のポイント

■: 原子核は陽子と中性子の塊であり、陽子や中性子の数が最大いくらになれるかは、学術上重要な基本的問題である。陽子の数(Z)の上限は最も重い元素を意味する。一方、ある元素において最大の中性子数(N)の原子核は中性子ドリップラインと呼ばれ、その全容は分かっていない。ドリップラインは宇宙での元素合成などにも関わり、学際的な意義も大きい。
■: 本研究では、ドリップラインが決まる新たなメカニズムを理論的に解明した。伝統的には、中性子が入れ物（平均ポテンシャル）に入りきれなくなってドリップラインになると考えられてきた。今回の対象となった元素ではそれは該当せず、原子核の形が球から楕円体へ変形して起こる結合エネルギーの増減がドリップラインに重要であることを示した。
■: 本研究では、素粒子の根本理論である量子色力学(QCD)から始め、原子核中での有効核力を求め、ドリップラインや励起エネルギー準位を第一原理的にスーパーコンピュータでのシミュレーションで計算し、実験データとの一致を見た。本研究の成果は Nature誌に本論文として掲載される。

発表概要

図１：本研究の内容を端的に表すイラストレーション。フッ素（F）、ネオン（Ne）、ナトリウム（Na）のドリップラインが赤い四角で示され、ピンクの四角はマグネシウムのドリップラインの理論予言である。

原子核中の陽子数(Z)や中性子数(N)はどこまで大きくなれるのか、というのは学術的に基本的な問いであり、宇宙での元素の合成にも関わる学際的な意義もある。元素に応じて Z は指定されるが、N はさまざまな値を取れ、その元素のアイソトープ^（注１）を成す。ある Z に対して最大の N の原子核をドリップラインと呼び、それを明らかにするのは原子核物理学の主要な課題の一つである。本研究では、ドリップラインを理論的に研究し、それを決定するメカニズムに関して、旧来のものとは異なる新たなものを提案し、それがフッ素(Z=9)からマグネシウム(Z=12)のアイソトープのドリップラインを記述することを示した。理論計算は量子色力学から出発して第一原理的に進め、信頼性の高いものである。CI 計算の部分はスーパーコンピュータ「京」などによって可能になり、励起エネルギー準位の実験データも再現した。新しいメカニズムでは、原子核の形の変形の増減がモノポール効果と組み合わされて、ドリップラインを決めていることを示した。このメカニズムをさらに重い原子核に適用して、物質の創成と存在限界に関する我々の理解を大いに拡げることが期待される。

　本研究は、文部科学省ポスト「京」重点課題9^（注２）「宇宙の基本法則と進化の解明」、文部科学省「富岳」成果創出加速プログラム^（注３）「シミュレーションで探る基礎科学：素粒子の基本法則から元素の生成まで」、および計算基礎科学連携拠点（JICFuS）の元で実施したものである。また、本研究成果は、理化学研究所のスーパーコンピュータ「京」（課題番号：hp160211, hp170230, hp180179, hp190160）および最先端共同HPC基盤施設のスーパーコンピュータ「オークフォレスト・パックス」によって得られたものである。

くわしくは東京大学のプレスリリースをご覧ください。
http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2020/7074/

掲載論文

論文誌名：: 「Nature」（冊子体：１１月４日予定、オンライン版：１１月５日）
論文タイトル：: The impact of nuclear shape on the emergence of the neutron dripline
著者：: N. Tsunoda, T. Otsuka*, K. Takayanagi, N. Shimizu, T. Suzuki, Y. Utsuno,
S. Yoshida and H. Ueno

用語解説

注１　アイソトープ
アイソトープとは同じ陽子数(Z)で、中性子数(N)が異なる原子核間の関係を指すが、実際にはそのような原子核も指すことも多い。例えば、酸素の場合、原子番号は Z=8 で、中性子数は N=5から 16 までの原子核が存在し、それらは互いにアイソトープの関係にあり、また、個々の原子核も酸素のアイソトープと呼ばれる。
注２　ポスト「京」重点課題9
2020年頃から始まると想定されていたスーパーコンピュータ・ポスト「京」（後に富岳と命名）運用に向けて、素粒子・原子核・宇宙物理分野の研究のための精密計算およびシミュレーションコードの開発を目的としたプロジェクト。スーパーコンピュータを用いた大規模計算により、素粒子から宇宙まで桁違いのスケールにまたがる現象の研究を行っており、大型実験・観測データと組み合わせて物質創成史の解明を目指している。
注３　「富岳」成果創出加速プログラム
「富岳」成果創出加速プログラムとは「富岳」スーパーコンピュータの早期の成果創出のためのものであり、令和２年度から始まった。「シミュレーションで探る基礎科学：素粒子の基本法則から元素の生成まで」は、ポスト「京」重点課題9での研究・アプリ開発を活かし「富岳」の計算資源を使用することで速やかな研究成果創出を目指している。