| 研究課題/領域番号 |
22K03618
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分15010:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する理論
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| 研究機関 | 大阪公立大学 |
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研究代表者 |
板垣 直之 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (70322659)
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| 研究分担者 |
鈴木 昭弘 (東崎昭弘) 大阪大学, 核物理研究センター, 協同研究員 (20021173)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
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| キーワード | 原子核構造 / クラスター構造 / シェル構造 / 核力 / スピン・軌道力 / テンソル力 / 中性子過剰核 / 元素合成 / 非中心力 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
原子核は陽子や中性子から構成されているが、これらが独立に運動する模型をシェル模型と呼ぶ。一方で、原子核が複数の部分系から構成される構造をクラスター構造と呼ぶ。特にα粒子(4He原子核)は結合が強く、原子核中で良い部分系たり得ることが知られている。代表者が提案し、発展させたAQCMと呼ばれる手法は、αクラスター模型の波動関数をシェル模型へと変換するものであり、両者を同じ枠組みで統一的に記述するものである。今回はこれをさらに発展させ、星の中での元素合成などの未解決問題に挑戦する。
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| 研究実績の概要 |
本計画では、重い原子核は何故α崩壊をするのか、という原子核物理学の長年の問いに答えると共に、原子核構造の新たな描像を確立する。原子核の構造を中心からの関数として見た場合、原子核の密度が飽和密度程度の内側領域では、通常のシェル構造が実現していると考えられる。しかしながら、シェル模型に基づいて、実験的に観測されるα崩壊の確率を説明することはできない。この問題を解決するために、本申請では、原子核構造が、外側の表面付近では、通常のシェル構造からαクラスター構造へと変化している可能性を研究する。これまでの申請者らによるAntisymmetrized Quasi Cluster Model (AQCM)とグラウバー理論を結合させた分析により、既にこのような構造変化を仮定することで、陽子やα粒子の弾性散乱実験が良く説明されることが示されている。今回の研究では、シェル構造とαクラスター構造を結合した原子核構造計算を行い、この新たな原子核の存在形態を立証すると共に、どのようなメカニズムにより、表面付近におけるαクラスターの析出が実現するのかを、陽子や中性子に作用する核力と関連して解明した。代表者らが注目するのは、核力の中でもテンソル力と呼ばれる成分である。これまで中心力の中に繰り込まれていたこの成分を直接扱うことにより、表面におけるαクラスター構造の出現を明らかにし、原子核物理学の問題を解決するとともに、新たな原子核構造の描像を確立した。
本年度は、原子核のクラスター構造に関するレビュー論文を執筆し、Ti領域のクラスター構造についてプレスリリースを行なった。それに対して海外で多くの紹介記事が書かれるなど、大きな成果があった。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
代表者・板垣らは、AQCMと呼ばれる模型を提案し、波動関数の中に導入されたパラメータを連続的に変化させることにより、シェル模型の波動関数とクラスターの波動関数を自由に行き来することを可能とした。シェルとクラスター模型の波動関数は、今や共通のフレームワークで記述される。
さらに、代表者らは、実験と比較することで、実際の原子核ではシェル構造が実現しているのか、クラスター構造が実現しているのかを判別する方法を提案した。これは、AQCMによって用意された波動関数に対して、陽子やα粒子を散乱する過程を考慮し、グラウバー理論の助けを借りて計算された散乱断面積の角度分布を、実験値と比較することによって行われる。その結果、炭素や酸素、ネオンと言った軽い原子核は顕著なαクラスター構造を持つものの、質量数の増加と共に、原子核ではシェル構造が優勢となることが示された。
この分析を中重核である48Ti(最も一般的なチタンの原子核)に適用したところ、非常に興味深い事実が明らかとなった(M. Okada, W. Horiuchi, and N. Itagaki, Phys. Rev. C 109, 054324 (2024))。原子核に陽子を当てて弾性散乱を起こす場合とα粒子を当てる場合では、ターゲットとなる原子核のどの部分を見るかが大きく異なるのである。陽子を当てた場合、その散乱断面積の角度分布は、主に48Tiの内側の構造を反映している。しかし、α粒子を当てた場合、散乱断面積は、48Tiのより外側部分の構造に敏感である。これらの結果を実験と比較することで、48Tiが、中心からの距離の関数として、シェル構造からクラスター構造へと転移している可能性を示した。
この論文の内容に対して本年プレスリリースを行ったところ、アメリカ、イギリス、台湾、ブルガリア、インドなどで、10件以上も記事として取り上げられた。
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| 今後の研究の推進方策 |
最近、中重核や重い領域でのクラスター構造が注目を集めている。48Tiに対するαノックアウト反応（原子核に陽子を衝突させ、原子核からα粒子をたたき出す反応）の実験結果を説明するためには、α+44Caというクラスター構造を仮定することが必要であることが明らかとなった(Y. Taniguchi et al., Phys. Rev. C 103, L031305 (2021))。しかし、このクラスター構造を仮定した波動関数では、原子核の半径や、第1励起状態からの電磁遷移確率など、基本的な実験観測量を説明しない。このため、中重核以降の原子核が、シェル構造を持つのか、あるいはクラスター構造を持つのかという問題は、ここ数年、多くの注目を集めている。
実験の側からは、幅広い質量数領域の原子核の持つクラスター構造を明らかにするプロジェクトが進行中である。科研費特別推進のONOKOROプロジェクトがその例である。これは、理化学研究所や阪大RCNPの加速器施設においてノックアウト反応実験を行うことで、さまざまな原子核におけるクラスター構造の普遍的存在を明らかにする試みである。最近、代表者・板垣は、ONOKORO実験の代表者である理化学研究所の上坂氏と、原子核のクラスター構造に関して、招待レビュー論文を執筆し(T. Uesaka and N. Itagaki, Phil. Trans. R. Soc. A 382 20230123 (2024))、“Ubiquitousなクラスター構造”という考え方を提唱している。これは、さまざまな原子核にαクラスターの成分が混入しており、αクラスター構造は、これまで考えられてきた質量領域よりも、ずっと広範囲にわたってその重要性を保持しているのではないか、という考え方であり、少なからず既成の原子核構造観に変更を迫る概念である。
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