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これまで考えられていたよりも多くの中性子を原子核に詰め込むことができるかもしれません

新しい形のナトリウム (塩素と結合して塩を作る元素) は、原子核に 28 個の中性子と、その化学的性質を定義する 11 個の陽子を詰め込んでいます。天然のナトリウムに含まれる 12 個の中性子の 2 倍を超えるこの元素の中性子が豊富な同位体は非常に極端であるため、その存在を予測した理論モデルはほとんどありませんでした。テネシー大学ノックスビル校の核物理学者キャサリン・グジワッツ=ジョーンズは、「これらの中性子が持続しているというのは驚きです。彼はこの研究には関与していません。

日本の理化学研究所仁科加速器科学研究センターの研究者は、ほんの一握りのナトリウム 39 原子核を作成しました。しかし、それらの単なる存在は、物理学者の原子核構造の理解に挑戦しています。また、爆発する星が多くの要素を形成するプロセスを追跡すること (米国の主要な新しい施設の目標) は、考えられているよりも難しい可能性があることも示唆しています.

3 年前、理研センターの粒子加速器、放射性同位体ビーム ファクトリーと呼ばれる超伝導サイクロトロンを使った実験で、単一のナトリウム 39 原子核の興味をそそるヒントが得られました。 「そのため、ビーム強度をはるかに高くし、ビーム時間を長くして実験を繰り返しました」と、理化学研究所の核物理学者である久保俊之氏は述べています。

久保の 26 人のメンバーからなるチームは、カルシウム 48 原子核のビームをベリリウム ターゲットを通して発射し、それらを細断し、BigRIPS と呼ばれる磁石の蛇行チェーンを通して破片を流し込みました。研究者はそのシケインを調整して、ナトリウム 39 または同様の質量対電荷比を持つ原子核のみがスラロームできるようにしました。原子核が最後に検出器に沈着したエネルギーは、その電荷を明らかにしました。電荷と質量から、久保らは原子核の陽子と中性子を簡単に計算できた。ターゲットを通して 500 千兆個のカルシウム 48 原子核を発射し、9 つのナトリウム 39 原子核を発見しました。 .

陽子と中性子のどの組み合わせが原子核に結合するかを予測するのは難しい場合があります。陽子と中性子は、パイ中間子と呼ばれる粒子を交換することによってくっつき、量子力学的効果により、同数の陽子と中性子を持つ原子核が優先されます。しかし、電荷を帯びた陽子は互いに反発し合い、陽子の数が少なくなる方向にバランスを傾けます。原子核も陽子 1 個から数百個の陽子と中性子までさまざまであり、さまざまな理論的アプローチがさまざまな質量範囲でうまく機能する傾向があります。

「ほとんどのモデルは、ナトリウム 39 が結合することを予測していませんでした」と、ミシガン州立大学の核物理学者で論文の著者である Brad Sherrill は言います。しかし、2 年前、ミシガン州立大学の核理論家である Witold Nazarewicz とその同僚は、それぞれのモデル予測をその不確実性で重み付けして平均化することにより、考えられるすべての原子核を予測しようとしました。これにより、ナトリウム 39 が存在する確率は 50% になりました。 「[理研]の結果は驚くべきものですか?」ナザレヴィチは言う。 "いいえ。大切ですか?はい。」

それは核の風景に重要な詳細を追加します、と彼は言います。物理学者は、陽子の数が垂直に上昇し、中性子の数が左から右に増加するチェッカーボードのようなチャートに、既知の原子核と予測される原子核をプロットします。原子核はチャートを斜めに横切って広い幅を形成し、その下端は中性子ドリップラインと呼ばれます。これは、与えられた数の陽子を持つ原子核に、より多くの中性子を詰め込むことが不可能になる限界を示しています。そしてそれは、元素 10 のネオンまでしか知られていません。

中性子ドリップ ラインは以前にも驚きをもたらしました。たとえば、酸素 (元素 8) の 16 中性子からフッ素 (元素 9) の 22 中性子に飛躍します。その跳躍を説明するために、理論家は原子核内の陽子と中性子のペアだけでなく、トリオの間にも力を含める必要があった、とシェリルは言う。ドリップラインがネオン 34 からナトリウム 39 に 4 中性子分跳ね返るように見える理由は、見落とされている他の物理学の一部で説明できるかもしれません。

この結果は、物理学者の目標を複雑にする可能性があります。鉄よりも重い元素の半分は超新星爆発で発生します。これは、原子核が放射性ベータ崩壊 (原子核内の中性子が電子を放出して陽子に変化する) を繰り返しながらも、爆発から噴出する中性子をすばやく吸収するためです。ミシガン州にある希少同位体ビーム施設 (FRIB) と呼ばれる 7 億 3000 万ドルを投じた新しい線形加速器の優先事項は、その過程で原子核を正確に特定することです。点滴線が遠くにある場合、それらの原子核はより多くの中性子を含み、作るのが難しくなる可能性がある、と Sherrill は言う.

5 月に開始された FRIB からの最初の結果は、ナトリウム 39 付近の原子核を調べています。研究者はまた、カルシウム 48 のビームを細断して、ナトリウムに続く元素であるマグネシウム、アルミニウム、シリコン、およびリンの中性子が豊富な同位体を生成し、それらがベータ崩壊する速さを測定した、とチームは フィジカルレビューレター .モデルに情報を提供するための別の情報として、マグネシウム 38 の半減期は驚くほど短かった、とローレンス バークレー国立研究所の核物理学者で筆頭著者の Heather Crawford は述べています。

Crawford の実験では、FRIB は理研の研究の 12 分の 1 の強度のビームを生成しました。数年以内に、FRIB はそのビーム強度を 400 倍に増加させ、中性子ドリップ ラインをチャートのさらに上まで追跡できるようにするはずである、と Crawford は指摘しています。 「FRIB が勢力を増していくにつれて、それが最初に追求されると私が予想することの 1 つです。」


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