核データニュース，No.74 (2003)

話題・解説（I）

軽核の速中性子捕獲断面積（仁科記念賞を受賞して）東京工業大学

原子炉工学研究所
井頭政之

iga@nr.titech.ac.jp―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
平成 14 年度（第 48 回）の仁科記念賞を、大阪大学核物理研究センターの永井泰樹教授と共同受賞した。同賞は仁科記念財団の事業の一つで、過去の受賞者の中には後にノーベル賞に輝いた江崎玲於奈先生や小柴昌俊先生の名前もある。
（詳細はホームページ参照：http://www.nishina-mf.or.jp/）
受賞対象の「公式」研究業績は『原子核による速中性子捕獲現象の研究』であるが、財団から最初に連絡を頂いた時は「原子核による速中性子非共鳴 p 波中性子捕獲現象の発見」であった。元のものが長すぎ、また、「非共鳴 p 波」が分野外の方々に分かり難いためプレス発表の際に変更されたようだ。この研究は「宇宙における元素合成」に関した核データ研究で、東工大・原子炉研の 3MV ペレトロン加速器と keV 中性子捕獲反応実験用コンプトン抑止型 NaI(Tl)ガンマ線検出器を用いて、当時は東工大・理学部・応用物理学科だった永井先生と平成 2 年から開始した共同研究である。
宇宙における元素（原子核）合成は、(1)ビッグバン 100～1,000 秒後の原始宇宙、(2)恒星の進化・終焉過程、で起こる。(1)では軽い原子核（標準ビッグバン模型では A＜8の核、非一様ビッグバン模型では A＜30 の核）が合成される。尚、ビッグバン後 100～1,000 秒の期間に限られる理由は、100 秒以前だと宇宙温度が高すぎて輻射により重陽子の結合が切られて元素合成が進まず、1,000 秒以降は中性子寿命を過ぎてしまい元素合成材料である自由中性子が無くなるためである。(2)の「進化」過程の元素合成はハイゼン
ベルグの谷に沿って中性子捕獲・β崩壊を繰り返してゆっくり進み（s 過程）、209Bi が最終核となる。
「終焉」過程（超新星爆発等）での元素合成は中性子ドリップ・ラインに沿って爆発的に進み（r 過程）、質量数 300 を越える核まで合成される。(1)と(2)の元素合成に関与する中性子のエネルギーは kT=数 keV～数 100keV であり、特に kT=30keV の速中性子が重要である。
12C 及び 16O は恒星進化過程で多量に生成され、それらの速中性子捕獲反応断面積は s過程元素合成研究において重要である。即ち、断面積が大き過ぎると中性子毒となって― 109 ―元素合成が進まない。また、これらの核は非一様ビッグバン模型による元素合成研究でも重要である。7Li については原始宇宙での元素合成において、A=8 のギャップ（安定核が無い）を 7Li の速中性子捕獲で生成される 8Li（半減期：約 1 秒）を経由して越せるか否かで重要である。
しかし表 1 に示した様に、これらの核種の中性子エネルギー30keV における過去の測定結果の精度は大変乏しいものであった。放射化法で測定できる 7Li については、1989年の測定値の誤差は 9%と小さいが過去の測定値の 1/2～1/3 であり、測定値間に矛盾があった。12C に至っては誤差が 200%であった。一方、これらの核種に対する熱中性子捕獲断面積はかなりの精度で測定されていた。また理論的には、これらの核の熱～keV 領域での捕獲断面積は入射中性子スピード v と共に 1/v 則に従って減少する、即ち s 波中性子による非共鳴捕獲であると考えられていた。表 1 には熱中性子に対する測定値と 1/v 則を用いた 30keV での予測値も示してある。表から分かる様に、7Li に対する 1989 年の測定値以外の 30keV 測定値は、実験誤差内で 1/v 則予測値と一致している。しかし理論的には、keV 領域では p 波中性子非共鳴捕獲も可能であり、1/v 則予測値の良否を確かめるためには、30keV 付近での精度良い測定が不可欠であった。
過去の 12C 及び 16O に対する測定精度が悪い原因は、30keV においては散乱断面積（12C：4.6b、16O：3.6b）が捕獲断面積（我々の結果で、12C：16µb、16O：34µb）と比べて極端に大きい（10 万倍以上）ためである。12C 及び 16O の中性子捕獲反応によって生成される核種は安定核なので放射化法を用いることができず、捕獲ガンマ線を直接測定しなければならない。測定用試料からは捕獲ガンマ線の他に試料によって散乱された中性子がガンマ線検出器に入射する。試料から検出器に向かう散乱中性子と捕獲ガンマ線の量は各々の断面積に比例するので、散乱中性子の量は捕獲ガンマ線の量の約 10 万倍である。この散乱中性子に起因するバックグラントが、通常の keV 中性子捕獲実験においては極めて深刻となる。また、中性子源から発生した中性子は床・壁・天井・実験機器等によって多重散乱されてエネルギーが低くなり、実験室内にはこれらの低エネルギー中性子が充満している。これらの低エネルギー中性子に起因するバックグランドも深刻となる。
この様な状況から我々は、ペレトロン加速器を用いた 7Li(p,n)7Be 反応から得られる 1.5ナノ秒パルス keV 中性子源と大型遮蔽体付きコンプトン抑止型 NaI(Tl)ガンマ線検出器を用いて、7Li、12C、16O について keV 中性子捕獲実験を行った。実験には中性子飛行時間法を採用し、「中性子飛行時間」×「ガンマ線波高」の 2 次元測定を行った。得られた 30keVでの結果を表 1 に示す。7Li の結果は 1/v 則予測値と一致したが、12C については予測値の5 倍、16O に至っては 170 倍となった。この背景に潜む物理は何であろうか？
非共鳴中性子捕獲反応における 1 次ガンマ線遷移は電気的双極子（E1）遷移が支配的であり、E1 遷移ではスピン変化が 1 以下でパリティ変化が起こる。一方、熱中性子は正パリティの s 波中性子成分のみで、エネルギー増加に伴って負パリティの p 波中性子成分― 110 ―が発生してくる。我々の実験では（離散）捕獲ガンマ線のエネルギー分析を行っているので、1 次ガンマ線遷移の終状態を同定することができる。従って、終状態のスピン・パリティ情報を用いることにより、各 1 次ガンマ線遷移に対応する捕獲反応が s 波中性子によるのか p 波中性子によるのかを決定することができる。また、非共鳴 s 波中性子捕獲断面積の 1/v 則と異なり、非共鳴 p 波中性子捕獲断面積は v に比例する。従って、入射中性子エネルギーを変化させて各終状態遷移に対応する「部分」捕獲断面積の変化を調べれば、s 波捕獲あるいは p 波捕獲を確認することができる。
我々が観測した 12C の 30keV 中性子捕獲状態からの遷移を、熱中性子捕獲状態からの遷移と比較して図 1 に示す。熱中性子捕獲状態は 1/2+なので、基底状態（1/2－）と 3.68MeV状態（3/2－）にしか E1 遷移できない。3.09MeV 状態（1/2+）への M1 遷移も観測されているが非常に弱い。これに対して 30keV 中性子捕獲では 3.09MeV 状態への遷移が最も強く、また 3.85MeV 状態（5/2+）への遷移も観測されている。これは、30keV 中性子捕獲では p 波中性子成分の寄与が非常に重要であることを示している。即ち、p 波中性子捕獲状態は 1/2－あるいは 3/2－であり、従って、これらの状態に E1 遷移することができる。次に、基底状態と第 1 励起（3.09MeV）状態への遷移に対する部分捕獲断面積の入射中性子依存性を図 2 に示す。図中の実線は、熱中性子に対する基底状態への部分捕獲断面積を用いた 1/v 則外挿である。100keV 以下の領域では、1/v 外挿と測定値が実験誤差内で一致している。200keV 以上で実験値が大きくなっているが、これは d 波中性子成分が寄与していることを示している。一方、点線は v 則を示しており、第 1 励起状態への部分断面積測定値の入射中性子エネルギー依存性を再現している。即ち、第 1 励起状態への遷移に対応する中性子捕獲は p 波中性子の寄与であることが確認できた。
16O の結果を図 3 に示す。熱中性子捕獲では 3.055MeV 状態（1/2－）への E1 遷移が支配的であるが、12C の場合と比較して、0.871MeV 状態（1/2+）への M1 遷移の相対強度が大きい。これは双極子遷移の場合、遷移強度がガンマ線エネルギーの 3 乗に比例することを考慮することで理解できる。尚、16O の熱中性子捕獲断面積は 12C の約 1/20 と小さく、従って、0.871MeV 状態への M1 遷移強度の絶対値が大きいのではない。40keV 中性子捕獲では、p 波中性子捕獲に起因する基底状態（5/2+）と 0.871MeV 状態への E1 遷移のみが観測されている。尚、40keV における s 波中性子捕獲の寄与は 0.15µb 程度で、我々の実験装置の検出感度以下である。
7Li の場合、何故 p 波中性子捕獲の寄与が無いのか？答えは 8Li の束縛状態の特殊性にある。図 4 に示す様に、8Li の束縛状態は正パリティの基底状態（2+）と 0.981MeV 状態（1+）しか無い。7Li の基底状態は 3/2－なので、s 波中性子捕獲状態（1－、2－）からこれらの状態へ E1 遷移することができるが、p 波中性子捕獲状態（0+～3+）からは E1 遷移できない。この様な事情で、7Li の場合には p 波中性子捕獲が抑制されているのである。
12

C の結果を纏めた論文の preprint を天体核物理学創始者の一人でノーベル賞受賞者の― 111 ―W. A. Fowler 先生に送ったところ、我々の成果を非常に高く評価し、平成 2 年秋の来日の際にペレトロン実験室を訪ねてくれた。また 16O の結果については、「新しい測定値が古い測定値より小さくなるのはよくあるが、2 桁も大きくなった例はこれまでに無い。何故、そんなに大きくなったのか？」とよく質問を受けるが、返答に困ってしまう。
我々の結果は元素合成研究、中性子核反応研究、及び（今回は説明を割愛した）核構造研究の分野に大きなインパクトを与えた。特に最近の元素合成研究において、16O の 170倍も大きな捕獲断面積のインパクトは益々大きくなって来ている。
授賞式は故仁科芳雄先生の誕生日である 12 月 6 日（金）に、お堀端の東京會舘で開催された。西島和彦仁科記念財団理事長の挨拶に続いて、伊達宗行選考委員長（大阪大学名誉教授）からの選考過程報告と受賞業績内容の紹介があった。今年度は 28 件の推薦があり、例年に漏れず夜 9 時を過ぎるまで議論が続き、最終的に選考委員（約 20 名）の過半数の支持を得た 3 件が選考されたそうである。受賞業績内容については、伊達先生はメモを一切見ず、3 件について空で見事に紹介された。敬服の一語に尽きる。そして、西島理事長から賞状と記念品が贈呈されて授賞式は終了し、引き続いて懇親会となった。
授賞式・懇親会の出席者は、選考委員を含む仁科記念財団関係の方々、歴代の受賞者（とご婦人）、等々で 100 名を越し、93 歳の伏見康治先生（大阪大学名誉教授）もお元気に出席されていた。物理の教科書で名前を存じ上げている先生方が勢揃いしている感があった。原子力界では、故仁科芳雄先生のご子息であり、筆者が 20 年以上に渡ってご指導頂いている仁科浩二郎先生（愛知淑徳大学）が出席されていた。
今回の授賞を研究室の学生と卒業生が喜んでくれた。これを機に、これからも若い人をどんどん巻き込んで、核データ研究活動を種々の分野で活発にしたいと思っている。
最後に、これまでの多くの方のご支援にお礼を申し上げると共に、核データ研究の活性化のために今後も益々のご支援をお願いしたい。

表1

7

Li、12C、16O の 30keV 中性子捕獲断面積（µb）
1/v 則予測値

我々の測定値

59±11.8(’59), 39.5±7.9(’59), 21.0±1.9(’89)

41.4

39.8±6.0

200±400(’70)

3.215.4±1.0

0.2±0.1(’71)

0.17

34 ±4

核種

過去の測定値

7Li12C

16O― 112 ―図1

図21212C(n,γ)13C 反応における中性子捕獲状態からの分岐比

C(n,γ)13C 反応における、13C の基底及び第 1 励起状態への遷移に対応する

部分捕獲断面積の入射中性子エネルギー依存性― 113 ―

図316

図47

O(n,γ)17O 反応における中性子捕獲状態からの分岐比

Li(n,γ)8Li 反応における中性子捕獲状態からの分岐比― 114 ―