カルシウム超重同位体研究へ大きな一歩

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二重魔法性を持つ「カルシウム-60」の発見

2018/07/12 理化学研究所

理化学研究所(理研)仁科加速器科学研究センターRIビーム分離生成装置チームのオレグ・タラソフ客員研究員、安得順協力研究員、福田直樹仁科センター研究員、吉田光一チームリーダーらの国際共同研究グループは、理研の重イオン[1]加速器施設「RIビームファクトリー(RIBF)[2]」を用いて、二重魔法数[3]核「カルシウム-60(60Ca)」を含む計8種の中性子過剰な新しい放射性同位体(RI)[4]を発見しました。

本研究成果は、中性子過剰な核物質(無限核子系)の状態方程式に関する研究の足がかりになると期待できます。

Caは陽子数が魔法数20の元素で、安定同位体の40Ca(中性子数20)と48Ca(中性子数28)、RIの52Ca(中性子数32)と54Ca(中性子数34)のように、中性子数が魔法数[3]となる二重魔法数核が四つ存在します。そこで、さらに重い二重魔法数核の60Ca(中性子数40)や70Ca(中性子数50)が存在するか否かが注目を集めていました。

今回、国際共同研究グループは、亜鉛-70(70Zn)ビームの入射核破砕反応[5]を利用し、60Caを含む計8種の新RIの発見に成功しました。これらのRIの存否は理論モデルによって異なりますが、今回の発見を再現する二つ理論が70Caの存在を予言していることから、二重魔法数核の超重同位体70Caの存在が強く示唆されました。

本研究は、米国の科学雑誌『Physical Review Letters』の掲載に先立ち、オンライン版(7月11日付け:日本時間7月12日)に掲載されます。

カルシウム同位体の図

図 カルシウム同位体

※国際共同研究グループ

理化学研究所 仁科加速器科学研究センター RIビーム分離生成装置チーム
客員研究員 オレグ・タラソフ(Oleg B. Tarasov)
協力研究員 安 得順 (アン・デュックスン)
仁科センター研究員 福田 直樹(ふくだ なおき)
チームリーダー 吉田 光一(よしだ こういち)

本研究には、理化学研究所、ミシガン州立大学(米国)、ロシア核研究合同研究所(ロシア)、東北大学、東京大学から30名の研究者が参加した。

背景

原子核は、核子と呼ばれる陽子と中性子で構成されています。原子核研究の基本問題の一つは、陽子と中性子のどういう組み合わせが原子核を作り得るのかということです。核図表上で、陽子の数を一定にし、中性子の数を増やしていくと、やがて原子核はそれ以上の中性子を束縛できなくなります。この限界を「中性子ドリップライン」といいます。また、中性子を増やしていく過程で、ところどころに周囲の原子核に比べて特に安定することがあります。そのときの中性子数は「魔法数」と呼ばれ、これまでに2、8、20、28、50、82、126が知られています。また、40も「準魔法数[3]」として古くから知られていました。

ところが最近の研究により、中性子数が陽子数に比べて極端に多くなる(エキゾチックな)環境では、16、32、34なども魔法数となることが明らかになってきました。その一方で、従来の魔法数が消えてしまうことも分かっています。魔法数や中性子ドリップラインの位置は、原子核内での陽子と中性子の間に働く力や運動様式を反映するため、これらを特定することは、原子核の理論モデルを評価する際に重要な判定基準を与えます。

カルシウム(Ca、原子番号20)は、陽子数が魔法数20の元素です。これまでに知られているCaの同位体は、35Caから58Caに至るまで幅広く分布し、それらには中性子数に魔法数を持つ「二重魔法数核」が存在します。現在、知られている原子核の総数は3,000種を超えますが、二重魔法数核は10あまりしか存在していません。そのうちの4つがCa同位体です。安定同位体では、それぞれ中性子数20と28を持つ40Caと48Caが、不安定な放射性同位体(RI)では、それぞれの中性子数が32と34である52Caと54Caがあります。一般的に、安定核から中性子数が増えるほど同位体は不安定になりますが、二重魔法数核は極めて高い安定性を持つため、60Ca(中性子数40)や、さらには超中性子過剰な70Ca(中性子数50)がその存在を予言されていました。

もし、70Caまで存在しているならば、Ca同位体は中性子数の変化に富む貴重な原子核の集合体となり、原子核研究に最適な試験場となり得ることになります。一方、最近の研究により、中性子数が非常に多いエキゾチックな環境下では、従来の魔法数が消失しているケースが見つかっています。70Caは極めて中性子過剰な原子核であり、その中性子数50はもはや魔法数ではない可能性もあります。

重イオン加速器施設「RIビームファクトリー(RIBF)」では、ウラン、キセノン、亜鉛などの重イオンビームを光速の70%まで加速する超伝導リングサイクロトロン(SRC)[6]を中心とした加速器系と、これら重イオンビームの核反応によって作られるRIをビームとして高効率で収集し、高い分析能力でオンライン分離・同定をする超伝導RIビーム生成分離装置(BigRIPS)[7]を用いて、核図表上で安定核領域から遠く離れた多種多様なRIビームを生成しています。

RIBFでは、2012年に中性子過剰なCa同位体の生成に有利な亜鉛-70(70Zn)ビームが利用可能になり、54Caの生成により新しい魔法数34を発見した注1)ことを皮切りに、以降Ca同位体とその近傍のRIに関する研究が精力的に進められています。60Caは、54Caに続く5種目の二重魔法数カルシウム同位体であるということにとどまらず、さらに重い二重魔法数核70Caの存否(束縛性)に関する重要な情報を提供してくれるものと期待されます。

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