Ac-229を利用したTh-229mの原子核壊変特性の解明

• 研究課題/領域番号: 19K23445
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0203:素粒子、原子核、宇宙物理学およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 重河 優大 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (60845626)
• 研究期間 (年度): 2019-08-30 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: トリウム229 / 原子核時計 / アクチニウム / プロトアクチニウム / Th-229m / 核異性体 / 真空紫外光 / 229mTh

研究開始時の研究の概要

229mThは229Th原子核の第一励起準位であり，8 eV程度と極端に低い励起エネルギーを持つ．基底状態の229Thをレーザーにより229mThに核励起できれば，超高精密な原子核時計を実現できると期待されている．核励起に必要なレーザーの条件を決定するために，本研究では，229mThの励起エネルギーを0.1 eV程度の精度で決定し，229mThのγ線放出半減期を決定することを目的とする．それらを実現するために，229Acを用いた新しい手法によって229mThを適切な化学状態に制御した上で，229mThの内部転換電子分光測定およびγ線測定を行う．

研究成果の概要

Ac-229やPa-229をフッ化物の結晶にドープするという新しい手法によって、超低エネルギー励起核Th-229mの内部転換過程を抑制しγ線放出過程を観測することを目指した。加速器により大量のPa-229を製造し、標的や核分裂生成物から高効率で分離する手法を開発した。また、Th-229mのγ線を高効率・低ノイズで測定するための真空紫外光測定装置を開発した。CaF2結晶の上でPa-229溶液を加熱した試料を用いて、Pa-229の放射壊変由来のバックグラウンド光子を測定した。今後Pa-229をCaF2結晶内部に導入する手法を改善すれば、Th-229mのγ線を明確に観測できることが明らかになった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究課題では、今まで誰も観測に成功していないTh-229mのγ線放出過程の直接観測を目指して、Ac-229やPa-229を用いた手法を新しく開発した。手法をさらに改善することで、Th-229mのγ線を観測し、Th-229原子核時計を開発する上で重要なパラメータであるγ線放出の半減期を決定できると期待される。将来的に既存の原子時計よりも精度の高い原子核時計を実現できれば、基礎物理学や測地学などの発展に大きく貢献できる。

研究成果

• [雑誌論文] Co-precipitation behaviour of single atoms of rutherfordium in basic solutions (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Kasamatsu, K. Toyomura, H. Haba, T. Yokokita, A. Kino, Y. Yasuda, Y. Komori, J. Kanaya, M.H. Huang, M. Murakami, H. Kikunaga, E. Watanabe, T. Yoshimura, K. Morita, T. Mitsugashira, K. Takamiya, T. Ohtsuki, A. Shinohara
  • 雑誌名: NATURE CHEMISTRY 巻: 13 号: 3 ページ: 226-230
  • DOI: 10.1038/s41557-020-00634-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Absolute X-ray energy measurement using a high-accuracy angle encoder (2021)
  • 著者名/発表者名: Masuda Takahiko、Watanabe Tsukasa、Beeks Kjeld、Fujimoto Hiroyuki、Hiraki Takahiro、Kaino Hiroyuki、Kitao Shinji、Miyamoto Yuki、Okai Koichi、Sasao Noboru、Seto Makoto、Schumm Thorsten、Shigekawa Yudai、Tamasaku Kenji、Uetake Satoshi、Yamaguchi Atsushi、Yoda Yoshitaka、Yoshimi Akihiro、Yoshimura Koji
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 28 号: 1 ページ: 111-119
  • DOI: 10.1107/s1600577520014526
  • NAID: 120006956810
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of a retarding-field type magnetic bottle spectrometer for studying the internal-conversion process of 235mU (2020)
  • 著者名/発表者名: Shigekawa Y.、Kasamatsu Y.、Yamakita Y.、Yasuda Y.、Watanabe E.、Kondo N.、Haba H.、Shinohara A.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 976 ページ: 164207-164207
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164207
  • 査読あり
• [雑誌論文] Half-life determination of nuclear excited states of 229Th by the coincidence measurement between α particles and γ rays from 233U (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigekawa, A. Yamaguchi, K. Suzuki, H. Haba, T. Hiraki, H. Kikunaga, T. Masuda, S. Nishimura, N. Sasao, A. Yoshimi, and K. Yoshimura
  • 雑誌名: RIKEN Accel. Prog. Rep. 巻: 53 ページ: 51-51
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of an RF-carpet gas cell for the chemistry of superheavy elements (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigekawa, A. Yamaguchi, N. Sato, A. Takamine, M. Wada, and H. Haba
  • 雑誌名: RIKEN Accel. Prog. Rep. 巻: 53 ページ: 168-168
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solvent Extraction of Zr and Hf from HCl by Aliquat 336 using a Flow-Type Extraction Apparatus Toward Online Chemical Studies of Element 104, Rutherfordium (2020)
  • 著者名/発表者名: Kasamatsu Yoshitaka、Kondo Narumi、Nakamura Kouhei、Kuboki Yuki、Ninomiya Hidemi、Shigekawa Yudai、Watanabe Eisuke、Yasuda Yuki、Toyomura Keigo、Nagase Masahiro、Yokokita Takuya、Komori Yukiko、Haba Hiromitsu、Yoshimura Takashi、Itabashi Hideyuki、Shinohara Atsushi
  • 雑誌名: Solvent Extraction and Ion Exchange 巻: 38 号: 3 ページ: 318-327
  • DOI: 10.1080/07366299.2020.1726075
  • 査読あり
• [雑誌論文] Production of Bh266 in the Cm248(Na23,5n)Bh266 reaction and its decay properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Haba H.他（Shigekawa Y. 19番目）
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 102 号: 2 ページ: 024625-024625
  • DOI: 10.1103/physrevc.102.024625
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of internal-conversion electrons emitted from Th229m produced by β decay of Ac229 (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigekawa Y.、Kasamatsu Y.、Watanabe E.、Ninomiya H.、Hayami S.、Kondo N.、Yasuda Y.、Haba H.、Shinohara A.
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 100 号: 4 ページ: 044304-044304
  • DOI: 10.1103/physrevc.100.044304
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-ray pumping of the 229Th nuclear clock isomer (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Masuda, A. Yoshimi, A. Fujieda, H. Fujimoto, H. Haba et al.
  • 雑誌名: Nature 巻: 573 号: 7773 ページ: 238-242
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1542-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] U-233のα-γ同時計数測定によるTh-229の原子核励起状態の半減期の決定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 重河優大, 山口敦史, 鈴木健太, 羽場宏光, 平木貴宏, 菊永英寿, 西村俊二, 笹尾登, 吉見彰洋, 吉村浩司
  • 学会等名: 日本放射化学会第64回討論会(2020)
• [学会発表] 核化学研究用高周波イオン収集システムの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 重河優大, 山口敦史, 佐藤望, 高峰愛子, 和田道治, 羽場宏光
  • 学会等名: 日本放射化学会第64回討論会(2020)
• [学会発表] Ac-229のβ線―電子同時計数測定によるTh-229mの内部転換電子の観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 重河優大, 笠松良崇, 渡邉瑛介, 安田勇輝, 近藤成美, 二宮秀美, 速水翔, 羽場宏光, 篠原厚
  • 学会等名: 日本放射化学会第63回討論会(2019)
• [学会発表] 酸化物・フッ化物・塩化物系におけるU-235mの半減期および内部転換電子エネルギースペクトルの測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 重河優大, 笠松良崇, 山北佳宏, 金子政志, 渡邉雅之, 渡邉瑛介, 安田勇輝, 近藤成美, 篠原厚
  • 学会等名: 日本放射化学会第63回討論会(2019)