超変形した原子核 40Ca 崩壊メカニズムを解明

―宇宙での元素合成過程の謎に迫る成果―
超変形した原子核⁴⁰Caの崩壊メカニズムを解明

国立大学法人　大阪大学
2022年6月20日

発表のポイント

■: カルシウム40原子核の超変形状態から球形の基底状態への予想外に抑制された崩壊を発見
■: 超変形原子核の崩壊メカニズムはこれまで大きな謎であったが、カルシウム 40 原子核に存在する3つの異なる変形状態からの電子・陽電子放出による崩壊遷移を観測することで明らかに
■: 原子核特有の変形共存現象に関する理解が進展し、宇宙での元素合成過程や原子核の魔法数進化現象の理解に寄与

発表概要

図1:質量数（陽子数と中性子数の和50以下の原子核でのスピン0状態間の遷移強度。緑色の点が⁴⁰Ca の超変形状態から基底状態への遷移強度で最も小さい値を示している。赤い点は遷移強度の実験値、破線は質量数 A の2/3乗に反比例する曲線でスピン0状態間の質量数に対する傾向を示す。

大阪大学核物理研究センター、オーストラリア国立大学、日本原子力研究開発機構、東京大学、GITAM 大学の国際共同研究グループ（代表：大阪大学・井手口准教授）は、カルシウム40（⁴⁰Caの超変形状態^※1から球形の基底状態^※2への崩壊遷移が予想外に抑制されていることを世界で初めて明らかにしました。これは質量数50以下の原子核で最も強く抑制されたものでした（図１）。この新しい発見は原子核に特有な変形共存現象^※3を広く理解する上でも重要なものです。これまで原子核の超変形状態は様々な質量数領域で観測されています。このような超変形した原子核は一般に励起状態であり、放射線を何本か出すことによって徐々にエネルギーを失い、最終的には基底状態へと遷移します。しかし、ほとんどの場合、超変形状態から他の励起状態を経由せずに球形の基底状態へ直接遷移する過程は観測されていませんでした。この直接遷移過程は、超変形状態の素性を知るうえで重要な手がかりを与えるものとして関心を持たれてきました。

今回、井手口准教授らの研究グループは、3つの異なる変形状態を持つ⁴⁰Ca 原子核でのスピン^※40の状態間を電子・陽電子放出^※5 により崩壊する遷移を観測し、超変形状態と球形基底状態間の遷移は、他の遷移に比べ予想外に著しく抑制されていることを発見しました。大規模殻模型計算^※6に基づいた理論解析により、超変形状態から球形への崩壊では量子力学的な干渉効果によって遷移強度が極端に小さくなることを明らかに
しました。これは従来の研究では考慮されなかったものです。この発見により原子核の変形共存現象の解明が進展し、更にはそれに強く影響を受ける宇宙での元素合成過程^※7 や原子核の魔法数進化現象^※8の理解にも寄与すると期待されます。本研究成果は、米国科学誌「Physical Review Letters」に、６月２１日（火）に公開されます。

くわしくは大阪大学のプレスリリースをご覧ください。
https://www.rcnp.osaka-u.ac.jp/RCNPhome/ja/news/pr_2022jun20.pdf

本研究は以下の研究助成を受けて行われました。

●: 大阪大学国際共同研究促進プログラム
●: JSPS 科研費 17H02893, 18H03703, 20K03981, 17K05433
●: JSPS A3 Foresight program Grand Number JPJSA3F20190002
●: Australian Research Council grant numbers DP140102896 and DP170101673
●: 文部科学省ポスト「京」重点課題 9「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「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」（JPMXP1020200105）
●: 本研究成果の一部は、理化学研究所のスーパーコンピュータ「富岳」／「京」／東京大学が提供するスーパーコンピュータ Oakforest-PACS を利用して得られたものです。（課題番号：hp170230, hp180179, hp190160, hp200130, hp210165）
●: RCNP Collaboration Research Network (RCNP COREnet)
●: Australian Government Research Training Program
●: Australian National Collaborative Research Infrastructure Strategy (NCRIS) program

掲載論文

論文誌名：: 「Physical Review Letters」
論文タイトル：: Electric monopole transition from the superdeformed band in ⁴⁰Ca
著者：: E. Ideguchi*, T. Kibédi, J. T. H. Dowie, T. H. Hoang, M. Kumar Raju, N.Aoi, A. J. Mitchell, A. E. Stuchbery, N. Shimizu, Y. Utsuno, A. Akber, L. J. Bignell, B.J.Coombes, T. K. Eriksen, T. J. Gray, G. J. Lane, and B. P. McCormick

用語解説

※1 超変形状態
原子核に現れるラグビーボール型の形状のうち長軸・短軸比が２：１と極端に変形度が大きな状態。これまでに質量数 40, 80, 130, 150, 190 領域およびアクチノイドで発見されているが、ほとんどの場合高スピン状態（高速で回転する状態）でのみ観測され、そこから未知の遷移を経て球形の基底状態（もっともエネルギーの低い状態）へ崩壊すると考えられているが、崩壊メカニズムは分かっていない。また、ほとんどの場合スピン 0 の超変形状態は観測されていない。
※2 基底状態
原子核でもっともエネルギーの低い状態。陽子数、中性子数共に偶数の原子核では基底状態のスピン(角運動量の大きさ)は０である。
※3 変形共存現象
同一原子核でほぼエネルギーの等しい領域に複数の異なる変形状態が準安定に存在する現象。特に陽子数・中性子数が魔法数となる近傍の原子核では球形を好む魔法数の効果と構成核子の集団性による変形を好む効果が競合して出現することが多い。
※4 スピン
原子核を構成する陽子・中性子の固有のスピン角運動量とそれらが原子核内を運動することにより生じる軌道角運動量を合わせた原子核が持つ角運動量の総量。換算プランク定数（プランク定数を 2πで割ったもの）を単位にして表現される。質量数が偶数の原子核で最小のスピン状態は 0 である。
※5 電子・陽電子放出
原子核の遷移エネルギーが電子質量の２倍以上になったとき、ガンマ線を放出する代わりに陽電子と電子の対を生成し、残りのエネルギーを電子・陽電子対に与えて遷移する過程。ガンマ遷移が禁止されるスピン0 の状態間の遷移が可能。
※6 大規模殻模型計算
原子核構造を計算する手法の一つ。陽子、中性子からなる量子系からなる多体問題をかなり正確に取り扱うことが可能なため、行列の対角化による数値計算が可能な軽い原子核において特によく用いられている。
※7 元素合成過程
天体内や超新星爆発などの環境下で起こる原子核反応によって新たな原子核、すなわち元素が合成される事象。代表的な反応様式として、陽子、中性子、アルファ粒子などの捕獲、核融合、核分裂が知られている。
※8 魔法数進化現象
魔法数とは、原子核が特に安定となる陽子数または中性子数を指し、そこでは原子核は原子同様に閉殻構造を持ち、基底状態の形状は球形となる。安定同位体では 2,8,20,28,50,82,126 が魔法数として知られている。近年の不安定核の研究からβ安定線から離れた原子核では魔法数を持つにも関わらず基底状態が変形したり、新たな魔法数（16,34 など）の出現など魔法数が進化する現象が見られる。