最後の二重魔法数核候補「酸素28」の合成に成功! 魔法数20の消失を確認!

2023.09.08

みなさんこんにちは! サイエンスライターな妖精の彩恵りりだよ!

 

今回の解説は、合成可能な最後の二重魔法数核の候補であった「酸素28」の合成についに成功し、魔法数が消失していたために二重魔法数核ではなかったことが確認された、という研究だよ!

 

なんか見知らぬ単語だらけで難しい?これはメチャクチャ合成しにくい原子核を合成することで、原子核を安定化させる "魔法" を調べる研究と言い換えられるね。この後の解説を読んでくれればきっと分かるはずだよ!

 

酸素28の合成は、まさに核物理学上の金字塔とも言える成果であり、この実現には各国の核物理学にまつわる研究者と装置とノウハウが結集した、集大成とも言える成果だよ!

 

酸素28合成 サムネ

(画像引用元番号①)

原子核について軽くおさらい!

身近な物質は何かしらの原子でできていて、その原子は外側を回る電子と、中心部にある「原子核」で構成されているよね。この原子核は更に「陽子」と「中性子」が何個かずつ結合しているものだよ。

 

そして原子の分類の仕方としては、化学的性質で分類される「元素」という分け方が代表的だよね。水素とか炭素とか酸素のようなものが代表的だよね。これは原子核に含まれる陽子の数で決定されるよ。

 

元素は化学的性質での分類なので、本来なら電子の数で決定するものだけど、化学反応は電子のやり取りで成り立つので原子が含む電子の数は簡単に変化するよ。一方で原子核は化学反応の前後で何も変化しないよ。

 

そういうわけで、それぞれの原子における元素の種類は、原子核の陽子の数で決める、というルールになっているよ。一方で同じ元素、つまり陽子の数が一緒であっても、中性子の違う原子核というのが存在するよ。

 

この、陽子の数は一緒だけど、中性子の数が違う原子核のことを「同位体」と呼ぶよ。同位体は更に、半永久的に安定である「安定同位体」と、時間経過によって崩壊する「放射性同位体」に分かれるよ。

 

同位体同士では中性子の数が違うので、その重さの分だけ物理的・化学的性質がわずかに違うんだけど、その差はわずかなので、特定の科学分野以外では "原子としての" 同位体の違いはあんまり気にされないよ。

 

ところが "原子核としての" 同位体の差はとても重視されるよ。というのは陽子と中性子がいくつ結合しているかによって、原子核の安定性は大きく変化することが分かっているからだよ!

 

「魔法数」は原子核に “魔法” をかける

魔法数概説

原子核を構成する陽子や中性子が特定の数になると、原子核が安定化するよ。これが魔法数だよ。近年の研究により、魔法数は特定の条件で消失したり新たに出現することが分かってきたよ!

 

原子核が安定か不安定かを決める要素はいくつかあるよ。例えば陽子の数に対して中性子の数は同じくらいか、少し多い方が安定とか、奇数個より偶数個の陽子や中性子の方が安定とかは、全体の傾向として見られるよ。

 

しかし最も興味深いのは、ある特定の個数の陽子や中性子を含む原子核の場合、他と比べて安定性が劇的に増す、というモノだよ。これはその特異な性質から「魔法数 (Magic number)」と呼ばれているよ。

 

魔法数な陽子や中性子を含む原子核である「魔法数核」がなぜ安定しているのか、というのは、原子核の性質を予測するモデルである「殻模型 (シェルモデル)」で示されていて、ある程度は理解されているよ。

 

かいつまんで言えば、原子核の一番外側が硬い殻が覆うように閉じている「閉殻構造」ならば、その原子核は安定になるよ。魔法数核では、陽子や中性子の間に働く力がちょうど閉殻構造を築きやすいと考えられているよ。

 

現在の理解では、魔法数は2、8、20、28、50、82、126であると言われており、例えば魔法数な陽子を含む元素は安定同位体の数が多く、放射性同位体も寿命が長い傾向にあることが観察されているよ。

 

ただし、殻模型は完璧な原子核の予測モデルではないことも分かっていて、修正が必要ではあるんだけど、ではどのように修正するのか、というところが現在でも研究が進行しているよ。

 

最近の実験ではそれを示すかのように、極端に陽子か中性子の数が多い原子核の場合、従来知られている魔法数が消えてしまうとか、逆に別の数が魔法数として現れる、という実例がいくつか見つかっているよ。

 

例えば、陽子が114の場合や中性子が184の場合は、その周辺部も含めて安定な原子核が多数現れるという予測があるよ。これは、不安定な原子核の "海" に孤立的に存在するので「安定の島」と表現されるよ。

 

また、中性子が多い原子核では6、16、32、34が中性子での魔法数になっていることが観察されているよ。また、中性子が豊富な同位体では、陽子の数が6 (炭素) の場合に魔法数じゃないかとする研究もあるよ。

 

そして、中性子の多い原子核では、新しい魔法数が現れる代わりに、従来の魔法数の8、20、28が消えることが明らかになっているよ。安定の島とは似ているけど異なる性質もあることから、これは「反転の島」と呼ばれるよ。

 

こういう安定の島や反転の島を含めた、従来の魔法数の消失や新たな魔法数の出現については、実験で証明してみるしかないし、ひいてはこれらを予測する殻模型の正しい理解に掛かっているよ。

 

そこで、魔法数核と推定されるけど、それでも思いっきり不安定な原子核を合成し、その性質を調べる実験が行われているよ。殻模型で性質がうまく予測できない時、そこに修正点があるということが分かるからね。

 

特に、陽子と中性子の両方が魔法数である「二重魔法数核」はとても興味深い研究対象だよ。ただでさえ安定な魔法数が2つ重なっていれば、その原子核はめちゃくちゃ安定、ということになるからね。

 

もちろん、いくら二重魔法数核と言っても、陽子と中性子の数のバランスが大きくずれている原子核の場合には不安定であるはずで、天然には無論のこと、合成実験でも中々生み出すことが難しいよ。

 

「酸素28」は最後の合成可能な二重魔法数核候補

二重魔法数核の候補は、存在可能と言われている約7000種類の原子核[注1]全体から見てもとても数が少なく、そのいくつかは理論的に存在できる可能性が示されているだけで、本当に合成できるのかどうかは別問題だったよ。

 

現在の人類の技術では、原子核を直接いじるのは不可能で、原子核を加速器で加速させて別の原子核に衝突させ、偶然に生み出される原子核の中から目的の原子核を見つける、という作業が必要だよ。

 

原子核は数百兆分の1メートルしかないメチャクチャ小さなマトなので、まず当てるのが難しいよ。そしてぶつかったとしても目的の原子核が合成されるかは分からない、まさにガチャみたいな部分があるんだよね!

 

その困難を乗り越えながら、科学者は不安定な二重魔法数核を次々と合成したよ。しかし合成可能とみられる最後の1つとして残っていたのが、陽子8個と中性子20個で構成された二重魔法数核の候補「酸素28」だよ。

 

まず、酸素28は原子核同士の衝突1回だけでは合成できず、もう1回の衝突が必要だよ。つまり、ただでさえ確率の低いガチャを2回重ねる必要がある、って考えれば、何となくでも難しいのが分かるよね。

 

更に、酸素28は「中性子ドリップライン[注2]という限界を大幅に超えているという別の困難があるよ。コップの容量を超える水を注げばあふれてしまうように、原子核にも陽子や中性子を保持できる限界が存在するよ。

 

酸素の同位体の場合、中性子があふれないギリギリのラインが酸素24であるので、そこから4個も中性子を追加した酸素28はあふれすぎもいい所、ということで、一瞬にして中性子をこぼして崩壊してしまうよ。

 

一応、中性子がこぼれるまでには曲がりなりにも原子核の形を維持しているはずだけど、酸素28の場合、それはたったの0.000000000000000000001秒 (10-21秒) という極短時間でしかないよ!

 

ここまで短いと、性質を調べるどころか、合成したことを確認するのすら困難だね!そんなわけで酸素の同位体でこれまでに合成できたのは、中性子ドリップラインを2個分超えた酸素26までだったよ。

 

世界中の英知を結集して酸素28の合成に成功!

酸素28合成経路

酸素28を合成し、その性質を調べるには、いくつもの困難を乗り越えないといけないよ。各国の研究者・装置・ノウハウの共有・協力があったからこそ、今回の合成成功があったと言えるよ! (画像引用元番号①②③)

 

東京工業大学の近藤洋介氏を筆頭著者とする国際研究チームは、最後に残された二重魔法数核の候補である酸素28を合成する実験を行い、同じく未合成であった「酸素27」と共に合成と性質の観測に成功したと発表したよ!

 

結果さえ言えば一言で済む話だけど、これまで合成ができなかった酸素28というだけあって、合成実験には世界中の研究者が集合し、装置やノウハウを提供し合った、文字通りの集大成である感じがあるよ!

 

メインとなるのは、日本の理化学研究所の仁科加速器科学研究センターに設置された「RIビームファクトリー (RIBF)」だね。ウランまでの前元素の原子核を多段階で加速し衝突させることができる、世界屈指の設備だよ。

 

今回の実験はまず、RIBFでカルシウム48 (陽子20個・中性子28個) [注3]原子核を加速し、ベリリウム9 (陽子4個・中性子5個) の箔に衝突させたよ。ここで生じるのはフッ素29 (陽子9個・中性子20個) という不安定な原子核だよ。

 

フッ素29は半減期0.0025秒で崩壊してしまうので、この間に陽子を1個だけ分離させないと酸素28はできないよ。そのためにはフッ素29のビームを水素1 (陽子1個・中性子0個) のターゲットに当てないといけないよ。

 

このために、フランスのサクレー研究所で開発された液体水素標的システム「MINOS」が設置されたよ。MINOSのおかげで、フッ素29ビームはこれまでよりずっと効率的に酸素28に変換されたよ!

 

そして、酸素28はすぐに4個の中性子を放出することが予測されるよ。酸素28の性質を調べるには4個の中性子全てを捉え、運動エネルギーなどを測定する必要があるけど、これまでは4個同時の測定ができなかったよ。

 

中性子の4個同時観測のためにまず、検出器にはRIBFのSAMURAIスペクトロメーターの大型中性子検出器「NEBULA」と、ドイツの重イオン研究所などが開発した「NeuLAND[注4]が設置されたよ。

 

NEBULAとNeuLANDの中性子検出器2段構えによって、初めて4個同時の中性子の測定が実現し、これによって酸素28が合成されたこと、およびその性質を正確に捉えることに今回初めて成功したよ!

 

そしてこの測定されたデータに基づき、酸素28は二重魔法数核であるのかどうかを、アメリカのオークリッジ国立研究所が所有するスーパーコンピュータ「Summit[注5]によって解析したよ。

 

この解析には、以前の研究で開発された計算アルゴリズムが使用されたんだよね。もしこれが無ければSummitをもってしても1回の計算に数時間かかるところ、数日で1億回の計算ができるまでに高速化したんだよ!

 

この他にもこの研究には、日本、フランス、レバノン、ドイツ、韓国、ハンガリー、オランダ、スウェーデン、クロアチア、アメリカ、イギリスの大学や研究機関が加わっているよ!

 

RIBFの膨大な合成実験データとSummitによる解析の結果、酸素28は98%の確率で二重魔法数核ではなく、中性子の魔法数20が消えていることが確認されたよ!最後の二重魔法数核候補は魔法が解けていたと分かったよ!

 

これは、2020年の研究で予測されていた中性子の魔法数20の消失を裏付けるもので、酸素では周辺の原子核と比較して中性子ドリップラインの位置が大きく変化していることを決定づける研究でもあるよ!

 

原子核の研究は私たちの存在理由にも迫っている!

二重魔法数核の一覧

今回の酸素28の合成により、現在の技術で合成可能な二重魔法数核の候補は全て合成されたよ!これにより、12個の二重魔法数核候補のうち、2個が実際には二重魔法数核ではないことが判明したね。

 

二重魔法数核の候補とされながら、従来の魔法数が消えていると確認されたのは、同じく中性子ドリップラインの外側に存在するヘリウム10 (陽子2個・中性子8個) だけで、酸素28は2例目だよ。

 

これ以外の理論的に存在可能な二重魔法数核候補は、RIBFの性能の範囲外であり、将来的にも合成できるのか不明なほど超不安定なものだから、ひとまず従来の魔法数による二重魔法数核の探索は終了したと言えるよ。

 

結局のところ二重魔法数核候補は、天然に存在するのが5個、不安定だけど二重魔法数核なのが5個、そして魔法数が消失しているので二重魔法数核ではないのがヘリウム10と酸素28の2個であると結論付けられたよ!

 

酸素28が二重魔法数核ではないと結論付けられた研究は、もちろんそれ自体も興味深いけど、これはあくまで1つの、それでいて重要なデータとなるよ。

 

まず、酸素28は中性子ドリップラインを大幅にはみ出す原子核なので、その性質をきちんとできた今回の研究は、同じように中性子ドリップラインの外側にある原子核の研究において重要な基礎的データとなるよ。

 

中性子が豊富な原子核内で中性子同士の間に働く力というのはよくわかっておらず、これが魔法数の予測の限界のような、原子核の研究における難題の理由の1つになっているよ。

 

酸素28は陽子の3.5倍も中性子が多い、メチャクチャ中性子に富む原子核なので、その意味で今回の研究内容は他のメチャクチャ中性子に富む原子核の研究に生かされることになるよ!

 

また、今回は4個の中性子の性質を同時に計測することができたので、このノウハウもメチャクチャ中性子に富む原子核の研究に使えるよ。例えば、完全に中性子だけでできた原子核なんかが興味深い研究対象だよ!

 

例えば、長年あるのかないのか議論が続いているのが、中性子4個だけでできた原子核「テトラニュートロン」だよ。直近では2022年に存在する可能性が高いかも、という研究が出ているけど、まだ確定的ではないよ。

 

テトラニュートロンは中性子4個なので、まさに今回の研究手法を応用できるわけだね。もし分離した4個の中性子の性質をきちんと測ることができれば、テトラニュートロンの実在をより確認することができるはずだよ!

 

そしてこの研究は、私たちと全く無縁とも言えないよ。私たちも何かしらの原子でできているわけだけど、重い元素の生成は中性子星[注6]の衝突や超新星爆発[注7]と言った激しい天文現象が関与していると言われているよ。

 

これはどちらも極めて高密度な中性子の流れがあるので、メチャクチャ中性子に富む極めて不安定な原子核が大量に合成され、それらの崩壊で私たちがよく知る元素が生まれたと考えられているよ。

 

では、中性子星の衝突や超新星爆発ではどのような原子核が生まれるのか?これがよくわかっておらず、そのためには様々な原子核を合成して研究する必要があるため、今回の研究のノウハウは次の研究に生かされるよ。

 

最後に、今回中性子の魔法数20が消えているのが確認されたように、原子核の基本モデルである殻模型に新たな修正箇所が見つかったよ。これによって更に殻模型が洗練されれば、原子核の性質をより正確に予測できるね!

 

私たちが原子でできている以上、この種の研究は私たちとは無縁とは言えず、今回の酸素28の合成は核物理学における "ロゼッタストーン" であると言えるかもしれないよ!

注釈

[注1] 約7000種類の原子核 ↩︎
これは理論的に一瞬でも存在可能とされている原子核の総数。これまでに合成された原子核はそのうちの約3300種類である。

[注2] 中性子ドリップライン ↩︎
これは陽子側にも設定されており、こちらは「陽子ドリップライン」と呼ぶ。

[注3] カルシウム48 ↩︎
陽子20個・中性子28個の二重魔法数核であるカルシウム48は、半減期6400京年と事実上の安定同位体である。天然に存在する同位体としては中性子数が非常に多いため、今回の実験のように中性子数が極端に多い原子核の生成に利用される他、中性子数が比較的多い方が安定になる超重元素の合成にも利用される。

[注4] NeuLAND ↩︎
NeuLANDの開発はドイツが主であり、日本が協力した。参加した機関はドイツの重イオン研究所とダルムシュタット工科大学、日本の東京工業大学と理化学研究所。

[注5] Summit ↩︎
オークリッジ国立研究所に設置されている理論的な処理速度が200PFLOPSのスーパーコンピュータ。IBMがNVIDIAおよびMellanox Technologiesと共同開発している。2018年6月に中国の神威・太湖之光 (125PFLOPS) を抜いて世界一となり、2020年6月に日本の富岳 (442PFLOPS) に抜かれるまでその座を維持した。執筆時点の2023年6月のTOP500では世界5位の処理速度を誇る。

[注6] 中性子星 ↩︎
太陽より重い恒星が、その寿命の最期に残すと言われている、重力で収縮した恒星の核の成れの果て。名前の通り中性子に富んでいるとされていり、いわば非常に巨大な原子核であるとも言える。中性子星同士の衝突は原子核同士の衝突の非常に巨大なバージョンとも言え、極めて重い元素を生成する主要なルートであると考えられている。

[注7] 超新星爆発 ↩︎
太陽より重い恒星は、その寿命の最期に中心核の核融合反応が停止し、収縮して硬い芯ができる。これが中性子星となる。この収縮は急激であり、周りにあった物質はそれに遅れて落下するが、中性子星は非常に硬いために跳ね返り、落下途中の物質と衝突する。その後の詳細はよくわかっていないものの、恐らくは発生する核反応によって膨大な熱が発生し、中心核の周りは激しく膨張する。これが超新星爆発である。超新星爆発の原動力となる核反応は、中性子星同士の衝突以外のルートで重い元素を生み出すルートであると考えられている。

 

文献情報

<原著論文>

 

<参考文献>

 

<関連研究>

  • R. Schneider, et al. "Production and identification of 100Sn". Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, 1994; 348, 241-242. DOI: 10.1007/BF01305875
  • Barbara Goss Levi. "Researchers Perform Quite a Magic Trick: Making Nickel‐48 Materialize". Physics Today, 2000; 53 (2) 19-21. DOI: 10.1063/1.882959
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  • D. Steppenbeck, et al. "Evidence for a new nuclear ‘magic number’ from the level structure of 54Ca". Nature, 2013; 502 (7470) 207-210. DOI: 10.1038/nature12522
  • Z. Y. Xu et al. "β-Decay Half-Lives of 76,77Co, 78,80Ni, and 81Cu: Experimental Indication of a Doubly Magic 78Ni". Physical Review Letters, 2014; 113 (3) 032505. DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.032505
  • Y. Kondo et al. "Nucleus 26O: A Barely Unbound System beyond the Drip Line". Physical Review Letters, 2016; 116 (10) 102503. DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.102503
  • D. T. Tran, et al. "Evidence for prevalent Z = 6 magic number in neutron-rich carbon isotopes". Nature Communications, 2018; 9, 1594. DOI: 10.1038/s41467-018-04024-y
  • SAMURAI21 collaboration. "Extending the Southern Shore of the Island of Inversion to 28F". Physical Review Letters, 2020; 124 (15) 152502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.152502
  • M. Holl, et al. "Proton inelastic scattering reveals deformation in 8He". Physics Letters B, 2021; 822, 136710.DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136710
  • M. Duer, et al. "Observation of a correlated free four-neutron system". Nature, 2022; 606 (7915) 678-682. DOI: 10.1038/s41586-022-04827-6

 

<画像引用元の情報> (必要に応じてトリミングを行ったり、文字や図表を書き加えている場合がある)

  1. 酸素28の崩壊の様子Oak Ridge National Laboratory (Image Credit: Andy Sproles, ORNL)
  2. 超伝導RIビーム生成分離装置「BigRIPS」: 理化学研究所 仁科加速器科学研究センター
  3. Summitスーパーコンピュータ: flickr (Image Credit: Carlos Jones, ORNL / CC BY-2.0)

 

彩恵 りり(さいえ りり)

「バーチャルサイエンスライター」として、世界中の科学系の最新研究成果やその他の話題をTwitterで解説したり、時々YouTubeで科学的なトピックスについての解説動画を作ったり、他の方のチャンネルにお邪魔して科学的な話題を語ったりしています。 得意なのは天文学。でも基本的にその他の分野も含め、なるべく幅広く解説しています。
本サイトにて、毎週金曜日に最新の科学研究や成果などを解説する「彩恵りりの科学ニュース解説!」連載中。

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