日中科学技術交流協会
2024年6月18日

原子核物理学での日中共同研究-理研を舞台にした今昔理化学研究所
仁科加速器科学研究センター
櫻井 博儀

元素変換の科学・技術、イノベーション
元素は宇宙でどうつくられたのか？

人類は元素を自在につくることができるのか？

中性子過剰な放射性同元素
新元素生成

Science

世界人類への貢献

重イオン加速器
同位元素分離技術

Technology Innovation 宇宙利用半導体試験
重イオン育種医療用RI製造
高レベル放射性廃棄物

2

RIビームファクトリー： 世界に冠絶する重イオン加速器施設“超重元素研究”

重イオン加速器施設の国際研究拠点

陽子数 Z 最大の原子核
核融合 ~ 5 MeV/u

Z

核融合

超重元素

多核子移行反応

ニホニウム（113番元素）→119番元素

超ウラン原子核

核分裂、破砕反応

KEK: KISS

N
多様な超ウラン原子核
多核子移行反応 ~ 10 MeV/u
旧施設 (1986-)

新施設 (2006-)“エキゾチック原子核”
中性子数 N 最大の原子核
中性子過剰な原子核

核分裂、破砕反応345 MeV/u

3

加速器を利用した元素変換：現代の錬金術
加速器：イオンを加速させて、イオンにエネルギーを与える装置
水素、炭素、ウランなどのイオンを電気の力で加速する
イオン（プラス）運動エネルギー
速さ 𝑣𝑣

⊕＋電極

速さ 0

⊖－電極

電圧V

1𝑚𝑚𝑣𝑣 2 = 𝑞𝑞𝑞𝑞
2エネルギーをもったイオンを元素に照射して、反応を起こし、元素の陽子や中性子の数を変える
人工元素変換に必要なエネルギーは温度換算で100憶度以上（太陽の内部の温度は約1500万度）
原子炉では中性子をくっつける反応のみ

加速器では多種多様なイオンを加速でき、エネルギーも可変
ニホニウム
亜鉛イオン（原子番号30）＋ビスマス元素（原子番号83）= ニホニウム（原子番号113（=30＋83）超重元素探索“超重元素研究”
陽子数 Z 最大の原子核
RILAC -> SRILAC

113番元素「ニホニウム」（冷たい核融合反応）
70Zn + 209Bi -> 278Nh + n

RILAC+GARIS
119番元素探索（熱い核融合反応）
51V + 248Cm -> 291-𝑥𝑥 119 + 𝑥𝑥n (𝑥𝑥 = 3, 4)

SRILAC+GARIS-III

28GHz ECR イオン源

旧施設 (1986-)

新実験装置 GARIS-III

超伝導加速空洞2020年1月に加速成功

5

RI ビームファクトリー

2007年 稼働以来、ウランビーム強度
3000倍以上2013年以降
可用度 95%以上“エキゾチック原子核”

x >3000

X > 3000

2007年 稼働以来
新同位元素170核種以上

超伝導リングサイクロトロン
（SRC）
世界最強
エネルギー 345 MeV/u
ウランの全運動エネルギー
80 GeV（ギネス登録）

1次ビーム

標的

RIビーム

超伝導RIビーム生成分離装置
世界最高のRI収集効率
新施設 (2006-)
200-250 MeV/u

核分裂、破砕反応

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39Naの生成と発見
39Naの生成と発見

Ahn et al., PRL 129, 212502 (2022)

A New Isotope of Sodium- Periodic Table of Videos

Prof. Martyn Poliakoff, University of Nottingham in UK

https://www.youtube.com/watch?v=vl0_DElyTZU

2023/04/04 リリース 14万回視聴

See also ”Probing the Limits of Nuclear Existence” Blumenfeld, Physics 15, 177 (Nov. 16, 2022)

エキゾチック原子核のテーマ
殻進化：魔法数の喪失と新魔法数鉄からウランに至る宇宙での元素合成過程?
Jennifer Johnson
http://www.astronomy.ohio-state.edu/~jaj/nucleo/

核子相関と凝縮（核物質のBEC-BCSクロスオーバー）

11Li(two neutron halo)

208Pb

中性子過剰物質の状態方程式
超新星爆発、中性子星、重力波解析

gravitation wave
from neutron-star mergers
Space.com

8国際共同研究
EURICA (2011-2016):
EUroball-RIKEN Cluster Array

BRIKEN(2017-2021):
He-3 detector array forbeta-delayed neutron
SpiRIT TPC (2015-):
heavy-ion collision program for EOS

SEASTAR (2014-2017):
thick liq. H2 +TPC+NaI
for in-beam gamma
spectroscopy

IDATEN (2021-):84 LaBr3 (Ce) + 2 Cover Ge detectors
to measure lifetime of excited states

HiCARI (2019-2020):
Tracking Ge detectors
for in-beam gamma
spectroscopy

SAMURAI (2012-):
neutron detectors + CsI+…
for neutron correlation

MoU with
41 institutions and universities in 19 countries

１．中国科学院・近代物理研究所
２．北京大学
３．その他

中国科学院・近代物理研究所（IMP）（1）
上坪宏道氏のIMP訪問。IMP所長Yang氏（1979年2月）

1994-2022の共著論文

2009

2016

2001

第一回日中加速器科学シンポジウム（1980年9月）

1994

11IMP
HIRFL (1988-)サイクロトロン施設
不安定核ビーム (1992-) CSR (2008-)
HIAF (2025-) シンクロトロン施設
RIKEN
RARF (1987-) サイクロトロン施設
不安定核ビーム (1989-)
RIBF (2007-) 高度化(202X-)

2022

中国科学院・近代物理研究所（IMP）（2）
質量測定 IMP CSRe と 理研 Rare-RI Ring (2011-)

HIRFL CSReRIBF Rare-RI-Ring

原子核質量の評価、データベース:
AME2016, 2020, NUBASE2016, 2020
Chinese Physics C, 2017, 2021

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近代物理研究所の将来施設
HIAF
1GeV/uRIBF

A119th, 120th

EOS w/ stable beams
HI collisions (high density ~5r0)

10 MeV/u

Reactions at ~1 GeV/uw/ RI beams
Spectroscopy forexotic nuclei w/ A~200Reaction w/ stable HI

E-degraded RI beams
at ~20 MeV/u
Low-E reactions w/ RI beams

17 MeV/u

HIAF:シンクロトロン施設（建設中）
広東省恵州市

Reactions at ~300MeV/u
EOS w/ RI beams (high density ~2r0)
Spectroscopy forexotic nuclei w/ A~100

RIBF: サイクロトロン施設
中間エネルギー重イオンビーム

高エネルギー重イオンビーム

ビームのエネルギーが異なり、相補的北京大学・原子核物理学科
仁科スクール（2008年～）
学部学生の受入れ・実習（2週間/年）
大学院生の受入れ 1人/年

崩壊分光、反応研究
2009年北京大-仁科スクール

2008-2024の共著論文
2013

2008

142024

その他
香港大学

清華大学

仁科スクール（2016年-）

重イオン衝突反応、状態方程式

ガンマ分光、質量測定

2015202420142023

まとめ
理研を舞台にした加速器科学の日中協力は1979年より中国科学院・近代物理研究所が中心
現在は、原子核物理学（実験）での共同研究
2008年から北京大学、2014、15年から香港大学、清華大学、などとの連携が急速に発展
理論研究も日中共同研究が進んでいる