理化学研究所、中性子が多い原子核では中性子数２８の魔法数が消滅することを発見

消える「魔法数」２８
−重いマグネシウム同位体の原子核は全て大きく変形−


＜ポイント＞
　・RIビームファクトリー（RIBF）でマグネシウム−３８の２つの励起準位を初観測
　・中性子が非常に多い原子核では中性子数２８の魔法数が消滅することを発見
　・RIBFでのデータ蓄積から原子核が変形する領域が核図表上で大きく広がることが判明

＜要旨＞
　理化学研究所（理研、野依良治理事長）は、陽子数に対して中性子数が非常に多いマグネシウム同位体（３８Mg（◇）：陽子数１２、中性子数２６）を生成、２つの励起準位を観測し、その比の値から３８Mgの原子核が、魔法数を持つ原子核の特徴である球形ではなく、大きく回転楕円体に変形していることを見いだしました。これにより、魔法数とされていた中性子数２８が魔法数でないことを発見しました。また、この大きな変形状態が中性子数２２、２４の時にも起きていることが分かりました。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物理研究室のピーター・ドーネンバル研究員を中心とする国際共同研究グループ［１］の成果です。

　◇「３８Mg」の正式表記は、添付の関連資料を参照


　原子の中心に存在する原子核は陽子と中性子で構成され、原子核はこ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、原子核は球形になり、硬くなることが知られています。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、物質の成り立ちを説明する物理学上の基本的な法則として、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）［２］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います。いくつかのRIでは、軽い中性子過剰核［３］の領域で魔法数が消滅し、一方で新しい魔法数が現れることが知られています。例えば、シリコン（Si：陽子数１４）の場合、中性子数２０は魔法数ですが、Siよりも陽子が２つ少ないMgの場合、この魔法数は消滅します。また、重いSi同位体では魔法数の２８が消滅することが分かっているため、Mgでも消滅すると予測されていました。

　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の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー（RIBF）［４］」を使い、「３８Mg」の励起状態を生成、２つの励起準位［５］を観測し、そのエネルギー値の比を求めることで魔法数２８の有無を調べました。過去の研究から、この比が２よりも小さい場合はその原子核は魔法数を持つこと、３程度の場合はその原子核は魔法数を持たず原子核の形が変形することが分かっています。

　３８Mgの２つの励起準位を観測した結果、２つの励起準位のエネルギー値の比は３．０７でした。このことから、３８Mgの原子核は球形ではなく大きく回転楕円体に変形すると分かり、３８Mgと中性子数の近い４０Mg（中性子数２８）も魔法数を持たない原子核、つまり魔法数２８が消滅していることを見いだしました。同時に、中性子数２２、２４の時も、ほぼ同じ大きさで変形していることも分かりました。

　核図表でMgの中性子数２０の領域は「異常変形の島」と呼ばれていました。今回の発見とこれまでのRIBFで得られたデータから、中性子数２０から２８におけるネオン（Ne：陽子数１０）からSiにかけて変形領域は「島」ではなく、「大陸」のように広がっていることが判明しました。今回の成果により、この特別な領域にひそむ新しい量子現象の研究が進展すると期待されます。

　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（１１月１９日付け、日本時間１１月２０日）に掲載されます。


　※背景・補足説明・図１〜５など以下、リリースの詳細は添付の関連資料を参照