原子質量の測定から分かる原子核の結合エネルギー[1]は、原子核の存在や安定性を決定する最も基本的な要素です。
短寿命原子核は、天然には存在せず超新星爆発時など一時的に存在していたと考えられています。この原子質量を測定することは、宇宙における鉄よりも重い元素の合成過程の解明につながると考えられ、物理学において大変重要な課題です。
本研究成果は、米国の科学雑誌『Physical C』に掲載されるに先立ち、オンライン版が近日中に掲載されます。
鉄より重い元素である金やウランは、宇宙での超新星爆発の時などに、中性子を多量に吸収し、通常天然には存在しない短寿命原子核を経て、生まれたと考えられています。そのため、この中性子を過剰に含んだ短寿命原子核の質量を測定することは、宇宙における重い元素の起源を探る手掛りとなります。こうした原子核の多くは、半減期が100ミリ秒から10ミリ秒であり、さらに最新の加速器施設を利用しても1時間に1個程度しか生成できません。こうした背景から、短寿命原子核の質量を100万分の1以上の高精度かつ効率的に測定する手法の開発が待ち望まれていました。
不安定原子核の直接測定法には、さまざまな方法があり、それぞれ特徴を持っています。しかし、精度が要求に満たないことや、高精度でも測定できる原子核の半減期が長いものに限定され、短寿命原子核が測定できないなどの難点がありました。現在、世界の研究機関で多用されているペニングトラップ質量分析器は、イオンを磁場中にトラップし、その固有回転周波数から質量を決定する方式で数千万分の一の精度で測定が可能です。しかし、固有回転周波数を高精度で測るには、1秒程度の測定時間が必要であり、ほとんど半減期1秒以上の安定核の測定に使用されてきました(図1)。
さらにMRTOF質量測定装置の重要な特徴の1つは、質量数1000以上の分子イオンでも高い質量測定精度を維持できることです。これによって分子イオンの質量を精密測定することにより、質量だけから、その分子の組成を決定することができます。これは生物・化学分野に置ける新しい分析法としての応用に貢献できます。
国際純粋・応用物理学連合(IUPAP)と国際純正・応用化学連合(IUPAC)で規定された原子質量単位は、炭素の同位体原子(12C)の質量を12 uとすると定義されている。
原子核は、水素からウランまで天然に存在する元素とその同位体から構成されているが、人工的にいくつかの超ウラン元素も合成され、存在可能なことが分かっている。このような重元素は、単純な原子核モデルでは存在を説明できないが、魔法数に代表される「殻効果」でより結合エネルギーが高まり、存在できていると考えられている。その考えをさらに重い原子核に適用すると、次の魔法数があり、今日では全く知られていない安定な原子核が予言されている。これらの原子核は既知の原子核と繋がっていない"飛び地"のような領域にあると予測されることから、「安定の島」と呼ばれ、その探索は現代物理学の大きな課題のひとつである。