フッ素の新同位体、フッ素30の観測に成功 中性子過剰核での超流動の発生を示唆、中性子星の謎解明にも期待

東京工業大学 理学院 物理学系の近藤洋介助教、中村隆司教授、ダルムシュタット工科大学（ドイツ）のJulian Kahlbow（ユリアン・カールボウ）氏、Thomas Aumann（トマス・オーマン）教授、Grand Accélérateur National d'Ions Lourds （GANIL、フランス）のOlivier Sorlin（オリビエ・ソルラン）氏、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、上坂友洋部長らの国際共同研究チームは、理化学研究所 RIビームファクトリー（RIBF）^[用語1]において、フッ素同位体^[用語2]としてはこれまでで2番目に重いフッ素30を世界で初めて観測した。

フッ素30は中性子数が陽子数の2倍以上もある中性子過剰核^[用語3]であり、生成が難しく、寿命が短いため、これまで観測例がなかった。本研究ではRIBFで高エネルギーのネオン31を陽子標的に衝突させることでフッ素30を生成し、その崩壊過程を多種粒子測定装置（SAMURAI）で観測した。本研究の結果からはさらに、中性子数が過剰な酸素やフッ素同位体では魔法数^[用語4]20が消失し、これに起因して超流動^[用語5]状態が発生することが示唆された。本研究の結果は、未知の中性子間力の解明にもつながることから、中性子星^[用語6]の構造解明にも資すると期待される。

本研究は、8月23日付（現地時間）の「Physical Review Letters」誌に掲載される。本論文は同誌のEditors' Suggestion（注目論文）にも選ばれた。

物質は原子からできており、原子の中心には原子核がある。原子核は陽子と中性子でできており、半径は10兆分の1 cmほどと極めて微小ながら、物質の質量の99.9%以上を占める。身の回りの物質に含まれる原子核（安定同位体または安定核）は、陽子と中性子の数がほぼ同数である。これに対し、自然界で安定に存在できない不安定同位体（不安定核）は、陽子の数と中性子の数に大きな偏りができる。特に、超新星爆発や中性子星合体などの爆発的な天体現象では、中性子数が陽子数に比べて非常に大きい、短寿命の原子核（中性子過剰核）が瞬間的に生成されることがある。

中性子過剰核は、最近急速に進展した重イオン加速器や不安定核ビーム^[用語8]生成技術を用いると、地上でも人工的に生成できる。実際に不安定核ビームにより、中性子過剰核の新しい構造や反応様式が次々と明らかになりつつあり、宇宙の元素合成の仕組みや、高密度天体である中性子星の謎なども明らかになると期待されている。このように不安定核ビームを用いた中性子過剰核の研究は、現在の核物理の主要テーマとなっている。

原子核は量子力学の法則に従う微小な粒子であり、代表的な量子効果として、中性子や陽子の個数が2個、8個、20個、50個、82個、126個という特定の数（魔法数）の場合にはより安定になるという性質がある。一方で中性子過剰核では、安定核で確立したこうした魔法数が消失したり、逆に新しい魔法数が現れたりすることが明らかになってきた。例えば、魔法数20は、中性子過剰核のネオン（陽子数10）やマグネシウム同位体（陽子数12）では消失することが明らかとなっており、より陽子数の少ないフッ素同位体（陽子数9）で魔法数が消失するかどうかかが問題となっていた。最近の研究から、魔法数破れの兆候はフッ素28やフッ素29についても示されつつあった。

一方、液体ヘリウムに現れる超流動状態が、孤立した原子核でも出現することは以前より知られていたが、中性子数が陽子数の2倍を超える中性子超過剰核での超流動状態については不明だった。研究グループが昨年初観測を発表した中性子過剰核、酸素28（陽子数8、中性子数20）^{[参考文献1]}では魔法数の破れに伴ってさまざまな軌道を往きかう中性子対によって超流動状態になっているという予測があり、陽子数と中性子数がともに酸素28に近いフッ素30（陽子数9、中性子数21）の構造が注目されていた。

さらにこのフッ素30の質量観測は、未知の中性子間力である三中性子間力に対する制限を与える。そこから中性子星の構造や中性子星合体のメカニズムで重要な役割を果たす、中性子物質の状態方程式にも重要な知見を与えることも期待される。

本研究では、これまで見つかった中では2番目に重いフッ素の同位体である、フッ素30の生成とその同定に世界で初めて成功した。理化学研究所にある不安定核ビーム研究の世界的拠点RIビームファクトリー（RIBF）において、高エネルギーのネオン31（陽子数10、中性子数21）を陽子標的に衝突させ、ネオン31から陽子を叩き出した結果、フッ素30が生成された。フッ素30は、寿命が10のマイナス22秒程度と非常に短く、中性子1個を放出してフッ素29（中性子数20）にすぐに崩壊するが、その崩壊過程を多種粒子測定装置（SAMURAI）において観測することで、生成を確認した。さらに、これまで不明であったフッ素30の質量も同時に決定された。

フッ素30には、安定同位体であるフッ素19（中性子数10）の2倍以上の中性子が含まれている。これまで知られている最も重いフッ素同位体はフッ素31（陽子数9、中性子数22）である（図1）。フッ素30はこのフッ素31より中性子数は1個少ないが、フッ素31に比べて寿命が極めて短いため捕捉が難しく、これまで観測されていなかった。

今回得られたフッ素30の質量の値より、中性子数が20（本来は魔法数）に近いフッ素同位体について、中性子過剰核における魔法数20の破れが完全に確定した（図2）。これは、昨年発表した酸素28における魔法数20の破れに続く成果である。つまり、中性子魔法数20の消失は、陽子数8（酸素同位体）から9（フッ素同位体）に広がっていることが分かった。また一つ中性子の多いフッ素31では、魔法数の消失によって角運動量の小さい状態が混じりやすくなり、中性子ハロー^[用語9]と呼ばれる特異状態ができる可能性も示された。

この魔法数20の消失によって、2個の中性子がスピンゼロの対（クーパー対に対応）を作りながら、さまざまな軌道を往き来することが可能になり、超流動状態を作り出すことが示唆された。

一方、中性子数16を超える酸素やフッ素の中性子過剰核の質量は、三中性子間力（未知の中性子間力）の効果に敏感であるため、こうした未知の核力成分に対して制限を与えることが期待される。三中性子間力は、観測で見つかっている重い中性子星の謎を理解する上で鍵となると考えられており、その意味でも重要である。

本研究で得られた中性子過剰フッ素同位体の質量測定の結果は、未知の三中性子間力に制限を与える。これは同時に、近年重要となっている原子核構造の第一原理計算に対して有力なベンチマークにもなる。こうした研究は、中性子過剰核の安定性（どこまで中性子の数を増やすことができるのか）、宇宙の元素合成過程（中性子捕獲反応による重い元素の合成など）、謎の高密度天体、中性子星の構造や中性子合体のメカニズムを解く鍵となる。こうしたことから、今回の研究成果は、学際領域である宇宙核物理分野にも大きなインパクトを与えるものである。

中性子を原子核にどれだけつけ加えることができるのか。これは原子核物理だけでなく、宇宙における元素合成や中性子星の構造にも関わる問題である。本研究などにより、軽い酸素やフッ素ではどれだけ中性子をつけ加えられるのかがようやく分かってきたが、ネオンを超える元素を構成する原子核では全く分かっていない。今後の研究によって、より重い中性子過剰な同位体（中性子過剰核）の発見がさらに進むと期待される。

これまで中性子過剰核の研究は、世界的には日本の理研RIBFがけん引してきた。今後はRIBFに加えて、米国のFRIB（2022年稼働）、中国のHIAF（2026年頃から稼働予定）、ドイツのFAIR（2027年頃から稼働予定）などにより、未知の原子核の観測がさらに進み、関連する宇宙核物理分野などへの進展にもつながると期待される。