コンパクトな新奇中性子対の新たな証拠を発見 不安定核ビームを用いた実験と少数系理論により実現

要点

• 中性子数が過剰なホウ素同位体、ホウ素19（¹⁹B）の中性子ハロー構造を特定
• ¹⁹Bの中性子ハローにコンパクトな中性子の対「ダイニュートロン」の証拠
• ダイニュートロンは中性子星の構造を理解する鍵にもなる

概要

東京工業大学 理学院 物理学系のKaitlin Cook（ケイトリン・クック）日本学術振興会特別研究員（研究当時。現ミシガン州立大学アシスタント・プロフェッサー）、中村隆司教授、近藤洋介助教、理化学研究所 仁科加速器科学研究センターの大津秀暁チームリーダー、米田健一郎専任研究員、京都大学 理学研究科の萩野浩一教授らは、ホウ素同位体の中で最も中性子数が多いホウ素19（¹⁹B、陽子数5、中性子数14）に中性子ハロー^[用語1]の構造を特定し、さらに中性子ハローを形成する2つの中性子がダイニュートロン^[用語2]と呼ばれるコンパクトな新奇の中性子対であることを突き止めた。この成果は、理研の強力な不安定核ビーム^[用語3]を用いた実験と最新の少数系理論^[用語4]の共同研究により実現した。

本研究グループはクーロン分解^[用語5]で¹⁹Bの光吸収過程を調べ、中性子ハローの存在を決定づけるソフト双極子励起^[用語6]を観測した結果、¹⁹Bの中性子ハロー構造を確定した。さらに少数系理論計算との比較から、ハローの2個の中性子が空間的に近接した中性子対「ダイニュートロン」であることも判明した。ダイニュートロンは40年以上前に予言されながら実験例が少なく、その存在が確立していなかった。

研究成果は5月27日に米国物理学会の学術誌「フィジカル・レビュー・レターズ（Physical Review Letters）」に掲載され、さらに同学術誌のEditors' Suggestion（編集者の推奨論文）に選ばれた。

背景

陽子と中性子からなる原子核は通常、陽子の分布と中性子の分布がほぼ等しい。しかし陽子数に比べ中性子数が2倍を超える短寿命の不安定核には中性子の分布が陽子の分布よりかなり大きく広がっているものが見つかっている。その代表的なものが「中性子ハロー」と呼ばれる構造である。

中性子ハローを外縁部にまとった原子核は中性子ハロー核と呼ばれ、その典型例¹¹Li^[用語7]の場合、図1のように、通常の原子核密度の⁹Liコアと、それを取り巻く低密度な中性子の広がりである中性子ハローでできた二重構造で特徴付けられる。また¹¹Liの中性子ハローの広がりは重原子核²⁰⁸Pb^[用語8]のそれに匹敵する。

¹¹Liのような中性子ハロー核は「コア核＋中性子＋中性子」という3粒子系と見なせる。これはボロミアン核^[用語9]と呼ばれる特徴を合わせ持つ。ボロミアン核とは、3粒子の内の2粒子「コア核＋中性子」、「中性子＋中性子」を取り出してもそれぞれは結合することができないが、「コア核＋中性子＋中性子」の3粒子になると結合できるという系である。

現在でもボロミアン核が結合できるメカニズムは完全には解決されておらず、こうした3粒子系の中性子ハロー核は¹¹Liのほか、⁶He、¹⁴Be、¹⁷B、²²Cの5例しか確認されていない。¹⁹Bについては、「¹⁷B＋中性子」、「中性子＋中性子」がギリギリ結合できず、ボロミアン核の条件を満たしているが、一方で中性子ハローの発達は抑制されていると先行研究で指摘されていた。

中性子ハロー核の形成メカニズム、特にボロミアン核の結合メカニズムを解明する上で、この2個の中性子がどのように絡んでいるか（相関）を理解することが重要である。一方、40年以上も前にミグダルによって、中性子対が原子核の表面で強い準束縛状態「ダイニュートロン」を作るという予言がなされている。

自由空間中では束縛しない2個の中性子が、密度の希薄な原子核の表面でコンパクトな対であるダイニュートロンを成すという予言であるが、実験例はほとんどなく、未だに確立していない。特に希薄な核表面である中性子ハローはダイニュートロンの候補の筆頭である。以前の中村教授らによる¹¹Liの実験でダイニュートロンの兆候を見出しているが（Phys. Rev. Lett. 96, 252502 (2006)）、他の中性子ハロー核の実験がほとんどなく、普遍的な現象なのかどうか解決していなかった。

研究成果

本研究グループは理化学研究所（理研）の重イオン加速器施設RIBF（ラジオアイソトープ・ビームファクトリー）において、不安定核ビーム¹⁹Bを生成し、RIBFの基幹測定装置SAMURAI（多種粒子測定装置）を用いて、¹⁹Bの光吸収過程を測定した。RIBFが誇る世界一の強度の不安定核ビーム、その能力を最大限活用する電磁スペクトロメータSAMURAIと、本研究グループが世界をリードして開発してきた測定手法「クーロン分解」を駆使して、これを実現した。この実験から、中性子ハロー構造に特有の光吸収過程「ソフト双極子励起」を観測し、¹⁹Bが「¹⁷B＋中性子＋中性子」という2中性子ハロー構造を持つことが判明した。

さらに、萩野教授の少数粒子系の理論計算をもとに実験データの詳しい解析が行われ、その結果、ハローを構成する2個の中性子がダイニュートロンを成していることがわかった。図2には実験スペクトルをよく再現する少数系理論に基づき計算された2中性子の密度分布を示している。2つの中性子のなす角度が25度程度と小さく、コンパクトな対となっていることがわかる。

今回の研究成果は中性子数が過剰になった極限状況で起きる新しい中性子対の構造を示したものである。原子や分子のスケールではボーズアインシュタイン凝縮^[用語10]を起こす近接した原子対が知られているが、これよりサイズが4桁以上小さい原子核における類似現象の可能性を示した。極限原子核における新たな多体現象の出現を示しただけでなく高密度天体である中性子星の構造の解明においても重要と考えられる。

今後の展開

今回の研究から中性子ハローにおけるダイニュートロンの新たな証拠が示された。これは、密度の希薄な原子核の表面（ハローなど）において、中性子対の相関が普遍的に強くなることを示している。中性子星においても、その表面付近には希薄な中性子流体を成分にもつ層（インナークラスト）が存在すると考えられており、そこでもダイニュートロンが重要な役割を果たしている可能性が高い。今後、こうした研究への波及も期待される。

¹⁹Bは今回、新たに中性子ハロー核として確立したが、コアである¹⁷Bはそもそもハロー核であり、¹⁹Bが5粒子系（¹⁵B＋4個の中性子）として存在する可能性もあった。今回の研究は5粒子系的ではないという結論だったが、ダイニュートロンを超える4中性子系や6中性子系などの多中性子クラスター^[用語11] の研究も進みつつある。こうした多中性子系は、中性子過剰極限で原子核を結合させる「力」や中性子同士の絡み（相関）についての情報を与える。これは、さらに中性子星の構造やダイナミクスの理解にもつながる。

ダイニュートロンについては、今後、より直接的な測定、すなわち、放出される2中性子の相関を測定し、ダイニュートロンのサイズや運動を直に観測する実験も計画されている。実際、本研究グループは理研RIBFにおいて、²⁶Oを用いたダイニュートロンの直接測定の実験を予定している。

謝辞

本研究は科学研究費助成事業 新学術領域研究（研究領域提案型）「量子クラスターで読み解く物質の階層構造」（18H05404）のほか、同 基盤研究A（16H02179）の支援を受けて行われた。また、K. J. Cook博士は日本学術振興会の外国人特別研究員の枠組みで支援を受け、東京工業大学で本研究を行った。

論文情報

掲載誌 :	Physical Review Letters
論文タイトル :	Halo Structure of the Neutron-Dripline Nucleus 19B
著者 :	K.J. Cook, T. Nakamura, Y. Kondo, K. Hagino et al.
DOI :	10.1103/PhysRevLett.124.212503

• プレスリリース コンパクトな新奇中性子対の新たな証拠を発見 ―不安定核ビームを用いた実験と少数系理論により実現―
• 原子核の秩序「魔法数」の消失をフッ素同位体で発見｜東工大ニュース
• フッ素とネオンの同位元素の存在限界を初めて決定｜東工大ニュース
• 原子核からほんの少しあふれた2個の中性子｜東工大ニュース
• 中性子ハローがマグネシウム同位体にも出現｜東工大ニュース
• 中性子が多い原子核に現れる特異構造を解明｜東工大ニュース
• 中村研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 中村 隆司 Takashi Nakamura
• 中村隆司ウェブページ
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 近藤 洋介 Yosuke Kondo
• 近藤洋介ウェブページ
• 理学院 物理学系
• 理化学研究所 仁科加速器科学研究センター
• 京都大学 理学研究科
• 研究成果一覧