理化学研究所など、「魔法数」を持つ原子核に現れる「特別な核異性体」を発見

「魔法数」を持つ原子核に現れる「特別な核異性体」を発見
−中性子を非常に多く含むパラジウム同位体で魔法数８２の存在を実証−


＜ポイント＞
　・国際共同研究プロジェクト「EURICA」におけるRIビーム実験で得られた最初の成果
　・中性子魔法数８２の消滅に基づく重元素合成シナリオの破綻を示唆
　・重い中性子過剰核における魔法数の成因を探る大きな手掛かりに


＜要旨＞
　理化学研究所（理研、野依良治理事長）と北京航空航天大学（■学長（※））は、陽子数に対して中性子数が非常に多いパラジウム−１２８（１２８Pd：陽子数４６、中性子数８２）に、「特別な核異性体［１］」があることを発見しました。これは、陽子もしくは中性子数が魔法数の原子核に現れる特徴的な状態を示しており、この中性子過剰な原子核領域で中性子の数８２が魔法数であることを証明しました。これは、理研仁科加速器研究センター（延與秀人センター長）櫻井RI物理研究室の渡邉寛客員研究員（北京航空航天大学招聘教授）を中心とする国際共同研究グループ［２］の成果です。

　※■印の北京航空航天大学学長の正式表記は添付の関連資料を参照


　原子の中心である原子核は、陽子と中性子から構成され、それらの組み合わせによりさまざまな特徴を示します。陽子や中性子がある特定の数“魔法数”の時、原子核は特に安定になります。自然界に存在する原子核では、２・８・２０・２８・５０・８２・１２６が魔法数で、約半世紀にわたって普遍的な定数と考えられていました。しかし近年、理研をはじめとする放射性同位元素（RI）［３］ビームを用いた研究により、「魔法数は不変」という定説を覆すデータが次々と得られており、軽い中性子過剰核［４］では魔法数８、２０、２８が消滅しています。重い中性子過剰核でも、魔法数５０、８２が消滅するという理論予測があり、その実験的検証が待ち望まれています。

　重い中性子過剰核で魔法数８２が存在するかどうかを検証するため、国際共同研究グループは、世界最高性能の理研仁科加速器研究センター「RIビームファクトリー（RIBF）［５］」を使い、大強度ウラン−２３８の核分裂反応により中性子数８２近傍のRIを大量に生成しました。RIの崩壊に伴い放出されるガンマ線を、欧州ガンマ線検出器委員会（EOC）が管理する大球形ゲルマニウム半導体検出器［６］を用いて測定したところ、１２８Pdと１２６Pdに１００万分の１秒程度の寿命を持つ励起状態の“核異性体”を発見しました。この核異性体の励起エネルギーと寿命を精査したところ、１２８Pdに現れた核異性体は魔法数を持つ原子核に特有の特別な状態であることが分かりました。「特別な核異性体」は、魔法数として中性子数５０を持つモリブデン−９２（９２Mo：陽子数４２）から、ルテニウム−９４（９４Ru：陽子数４４）、パラジウム−９６（９６Pd：陽子数４６）、カドミウム−９８（９８Cd：陽子数４８）でも系統的に確認されており、これは、中性子魔法数８２が重い中性子過剰核で消滅せず、魔法数のままであることを証明しています。今後、重い中性子過剰核における魔法数の成因を探る上で大きな手掛かりになります。また、観測によって得られた太陽系における元素存在度をうまく再現できない「重元素生成量の不足問題」を解決するために約２０年にわたり議論されてきた「中性子魔法数８２の消滅に基づく元素合成のシナリオ」が破綻し始めていることを示唆しています。

　今回の成果は、理研のRIBFおよびRI寿命測定装置と、EOCが管理する大球形ゲルマニウム半導体検出器を組み合わせた国際共同核分光実験プロジェクト「EURICA（ユーリカ）」で実現した成果であり、同装置を用いる希少核種の核分光研究に弾みをつけるものです。

　本研究成果は、米国の科学雑誌「Physical　Review　Letters」に掲載されるに先立ち、オンライン版（１０月８日付け、日本時間１０月９日）に掲載されます。


　◇以下、リリースの詳細は添付の関連資料「オリジナルリリース」を参照