重元素合成の鍵を握る中性子過剰核110個の寿命測定に成功 | 理化学研究所
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図1　太陽系の元素存在比
（a）はr過程に起因する太陽系の鉄より重い元素の存在比を示す。第1、2、3ピークと希土類元素のピーク構造を持つことが分かる。緑線は従来の原子核理論を、赤線はRIBF新データを取り込んだ元素存在比。
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図2　実験装置の全体像
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図3　生成したRIの粒子識別結果
色は粒子の強度を示す。赤丸は今回初めて寿命（半減期）測定に成功した原子核。
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図4　ルビジウムからスズまでの半減期の中性子数依存性
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図5　太陽系、金属欠乏星、および最新の寿命データを取り込んだ元素存在比スペクトル
超新星爆発の膨張時間の条件を変更しても、原子番号Z=64以上の希土類元素とテルル(Te)、キセノン(Xe)、バリウム(Ba)の生成量は安定しており、重元素存在比の普遍性が成り立っている。一方、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)、ヨウ素(I)、セシウム(Cs)は普遍性が破れている。


要旨

理化学研究所（理研）仁科加速器研究センター櫻井RI物理研究室のジュセッペ・ロルッソ客員研究員、西村俊二先任研究員、櫻井博儀主任研究員らの研究チーム※を中心とするEURICA（ユーリカ）国際共同研究グループ[1]は、理研の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー（RIBF）」[2]を利用し、質量数A=100～140の中性子過剰核110個の寿命測定に成功しました。

自然界には、原子番号1の水素（H）から92のウラン（U）までの元素が安定して存在しています。鉄（Fe：原子番号26）より重い元素のうち約半数は、超新星爆発が起こり温度と密度が非常に高い環境になったときに合成されたと考えられています。そこでは、原子核が周辺を飛び交う大量の中性子をどんどん吸収して中性子過剰な原子核（放射性同位元素（RI）[3]）になり、ベータ線を放出するベータ崩壊により中性子が陽子に変換されることにより一挙に金（Au：原子番号79）やウランを含む重元素[4]が生成されたとされています。

この過程は、高速(rapid)に連続して中性子を捕獲しながらベータ崩壊するため「r過程[5]」と呼ばれています。しかし、超新星爆発ではなく、中性子星同士の融合の際にr過程が起こったという説もあり、r過程は未だに多くの謎に包まれています。

ｒ過程の時間スケールや重元素の生成量を理解するためには、原子核の寿命が重要です。しかし、r過程で生成される中性子過剰な原子核を人工的に作り寿命を測定しようとしても、生成率が非常に低いため、実際に測定するのは困難でした。今回、研究チームは世界最高性能を誇るRIBFを利用して、r過程に関わる中性子過剰な原子核を生成し、寿命測定を試みました。まず、大強度のウランビームをベリリウム（Be：原子番号4）標的に照射し、ルビジウム（Rb：原子番号37）からスズ（Sn：原子番号50）までの中性子過剰な原子核RIを生成しました。そして、それらを高性能寿命測定装置「WAS3ABi（ワサビ）」 [6]に打ち込むことにより、中性子魔法数[7]82近傍の110個のRIの寿命を測定することに成功しました。

この成果は、今後の原子核研究、天体観測における重元素合成の謎の解明において重要な手がかりを与えると期待できます。本研究は、米国の科学雑誌『Physical Review Letters』オンライン版（5月11日付け）に掲載されました。

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