理研など、中性子4個のみの原子核「テトラ中性子核」の観測に成功

理研など、中性子4個のみの原子核「テトラ中性子核」の観測に成功

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  • 更新日:2022/06/23
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●テトラ中性子核の生成・観測を目指す観測を実施

カルシウム40原子核の超変形状態から基底状態への崩壊の様子、阪大などが観測に成功

理化学研究所(理研)、独・ダルムシュタット工科大学、東京大学(東大)、東京工業大学(東工大)の4者は、理研の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー」(RIBF)の多種粒子測定装置「SAMURAIスペクトロメータ」を用いて、4個の中性子のみで構成された原子核「テトラ中性子核」の観測に成功し、陽子を含まない複数個の中性子が原子核を構成して存在できる新たな証拠を得えたことを発表した。

同成果は、理研 仁科加速器科学研究センター 多種粒子測定装置開発チームの大津秀暁チームリーダー、理研 同・センター スピン・アイソスピン研究室のバレリー・パニン特別研究員(現・客員研究員)、同・ザイホン・ヤン基礎科学特別研究員(研究当時)、同・上坂友洋室長、ダルムシュタット工科大のメイテル・デュア研究員、同・ステファノス・パシャリス研究員(研究当時)、同・トーマス・オウマン教授、同・アレキサンドラ・オバテリ教授、東大大学院 理学系研究科 附属原子核科学研究センターの下浦享教授(研究当時)、ラッツロー・スタール研究員、東工大 理学院物理学系の栂野泰宏特任助教(研究当時)、同・近藤洋介助教、同・中村隆司教授、東北大学の小林俊雄教授(研究当時)らを中心とした、90名を超える研究者が参加した国際共同研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」に掲載された。

単独の中性子は約15分で崩壊するため、これまで中性子のみの原子核は存在しないとされてきた。しかし、2個の中性子系は存在しないことが明らかにされているが、3個以上の中性子のみの原子核が存在できるのかどうかは長らく不明であったという。

そうした中、2015年に理研RIBFにおいて、テトラ中性子核の観測に成功。しかしこのときは、テトラ中性子核の生成が4事象のみであったほか、テトラ中性子核が束縛状態と共鳴状態のどちらなのかを決めるのに、質量の精度が不足していたという。そのため、この実験だけでは共鳴状態にあるテトラ中性子核の確定には至らず、新たな実験データが必要とされていた。

そこで研究チームは今回、2015年の実験とは異なる手法により、テトラ中性子核の生成・観測を目指すことにしたという。

●テトラ中性子核の再観測に成功
今回の研究では、まずRIBFの加速器群を用いて、酸素-18(18O)ビームを光速の約60%に相当する核子当たり250MeVまで加速し、それをベリリウム製の生成標的に照射することで、陽子数2・中性子数6のヘリウム8(8He)の2次ビームを生成。そして、超伝導RIビーム生成分離装置BigRIPSを用いて8He核ビームを分離・輸送し、SAMURAIスペクトロメータの標的位置に配置された二次標的である液体水素への照射が行われた。

その結果、8He核と水素標的中の陽子(p)が衝突し、8He核から4He核だけが叩き出される現象が観測されたほか、8He核内に残留する4個の中性子は、陽子と4He核の衝突にはほとんど影響されずにシリコントラッカー検出器を通過し、かつSAMURAIの磁場でも偏向を受けることなく直進し、最前方角度に設置された中性子検出器群のNEBULAおよびNeuLANDにより部分的に検出された。ただし、この中性子の情報は今回の結果には直接用いられておらず、将来的により高精度の実験を行うための布石としたという。

また今回は、まったく同じ実験セットアップで、2中性子系が残留する6He核ビームでの測定も行われており、2中性子系のエネルギー分布も計測された。同エネルギー分布は、過去の実験データや中性子-中性子間力を用いた理論予言と形状が非常によく一致しており、今回の実験手法の信頼性の高さが示されているとする。

今回の成果は、60年来の謎だった「テトラ中性子核」の存在について、高い統計的有意性を持った情報を与えることとなったものの、最先端の原子核物理学理論をもってしても、このテトラ中性子核の状態を十分に説明することはできないという。そのため、今回の成果は理論と、より基本的な核力研究に大きな波紋を投じることになるだろうとしている。

特に、ここ20年余りその重要性が指摘されている三体核力の研究を大きく前進させると考えられるという。3個の中性子間に働く三体核力は、多数の中性子が相互作用し合って形成されている中性子星の構造形成に不可欠だが、これまで実験的な情報がほとんどなかった。今回の成果により、今後、中性子間の三体核力の研究、ひいては中性子星の内部構造や形成過程の研究が発展することが期待されるとしている。

RIBFでは、今回の研究とは異なる手法で、4中性子系やより多くの中性子系、また非束縛状態の中性子過剰水素やヘリウム核などの核分光実験を継続して実施中としており、今後は、たとえば4中性子系が一度に崩壊して4個の中性子になるのか、あるいは2中性子系が2個に崩壊し、その後4個の中性子になるのかなど、崩壊過程を調べる予定としている。

また、今回用いた手法をより重い中性子過剰核に適用することで、多くの少数核子系についても分光学的研究が推進されることが期待できるとしている。

波留久泉

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