量子のだるま落としで原子核を探るプロジェクトから初成果－炭素、酸素原子核に重陽子クラスターを発見－

2026-05-01 理化学研究所,京都大学,大阪大学,九州大学

理化学研究所、京都大学、大阪大学、九州大学などの国際共同研究グループは、陽子ビームを用いた「ノックアウト反応」により、炭素12および酸素16原子核内部に重陽子クラスターが高確率で存在することを発見した。原子核は従来、陽子と中性子が均一に分布する液滴状構造と考えられてきたが、本研究では陽子1個と中性子1個が対を形成した重陽子クラスターが、炭素12で約40％、酸素16で約32％存在することが示された。研究では大阪大学RCNPの加速器施設を利用し、高エネルギー陽子を原子核に衝突させる「量子のだるま落とし」と呼ばれる手法で内部構造を解析した。成果は、原子核内部の「非一様性」が従来想定より多様かつ高頻度で現れることを示し、アルファ崩壊や核分裂、超新星爆発下の核物質理解にも影響を与えると期待される。さらに、不安定核を対象とした新検出器TOGAXSIによる研究も進行している。

図1 原子核における非一様性発現の概念図
陽子（赤球）と中性子（青球）から成る一様で均質な物質と考えられていたが、むしろ、重陽子（赤球と青球各１個のペア）、アルファ粒子（⁴He原子核：赤球2個と青球2個）や三重陽子、ヘリウム3クラスターなどを内部に含む非一様性が発現すると考えられている。

＜関連情報＞

226 MeVにおける 12Cおよび16Oに対する陽子誘起重水素ノックアウト（p,pd） Proton-Induced Deuteron Knockout (p,pd) on 12C and 16O at 226 MeV

CheongSoo Lee,Ryotaro Tsuji,Yuki Kubota,Yoshiki Chazono,Deuk Soon Ahn,Nori Aoi,Didier Beaumel,Jiawei Bian,Jiawei Cai,Fengyi Chen,…
Progress of Theoretical and Experimental Physics Published:30 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1093/ptep/ptag046

Abstract

The proton-induced deuteron knockout reaction (p,pd) provides a unique opportunity to exploit proton–neutron correlations and the deuteron cluster structure of nuclei. Direct deuteron knockout experiments on ¹²C and ¹⁶O under quasi-free scattering conditions have been carried out under the ONOKORO project using a 226-MeV proton beam at the Research Center for Nuclear Physics, Osaka, Japan. Deuterons from the knockout reaction, acting as clusters, were unambiguously detected at the focal plane of the Large Acceptance Spectrometer. Outgoing protons, following the knockout of clusters, were detected at the focal plane of the Grand Raiden spectrometer to correctly reconstruct the expected events. (p,pd) reactions are established successfully, and excitation energy spectra for the residual nuclei¹⁰ B and ¹⁴N are obtained. Results showed that a large difference in transition strength toward the low-lying energy level of residual nuclei, including the ground state, was found in comparison to other studies. Theoretical calculations using the Proton-Induced KnockOut reaction calculation for Exclusive processes (PIKOE) package based on the distorted-wave impulse approximation are conducted to deduce the triple differential cross section of the (p,pd) reaction, and experimental spectroscopic factors of the deuteron cluster are obtained by normalizing the experimental cross section to the theoretical computation. Consistent spectroscopic factors in comparison to shell-model expectations are obtained for transitions involving the orbital angular momentum L=0 of the cluster. The present work demonstrates that the (p,pd) reactions at 226 MeV as a spectroscopic tool have an advantage in examining spectroscopic aspects of deuteron clustering and the mechanism to form a proton–neutron pair in the spin triplet state with negligible interference of final-state interactions and refraction effects.