生産と技術

第60巻第２号（2008）

原子核の研究の新展開− レーザーを利用してスピンの向きを制御する −
下 田

研究ノート

正＊

A novel method in nuclear physics by means of lasers
Key Words : unstable nuclei, exotic structure, polarized radioactive beams,
laser optical pumping

１．原子核とはソトープ）も数多く存在する。例えば、ウラン 238

私たちの身のまわりの物質や生物を構成しているは太陽系の元素が生成された際のものがその長い寿原子の中心に位置する原子核は、原子の１万分の１命のゆえにまだ残存しているのであり、ラジウムの大きさしか持たないが、原子核が放出するエネル

226 はウラン 238 が崩壊して生成される５世代先のギーは、原子同士をつなぎ止めている電磁気エネル不安定な原子核である。人類は、1930 年頃から次々ギーの百万倍も大きい。原子核がそのような小さなと発明された粒子加速器を用いて核反応を起こし、実体であることがアーネスト・ラザフォードによっ寿命の短い不安定な原子核をも生成し、核反応の際て発見されたのは、今から 100 年足らず前のことでに放出される粒子や放射線を測定し、安定核およびある（1911 年）。ミクロな世界を記述する運動法則それと中性子数があまり違わない不安定核の核構造である量子力学が確立して（ 1927 年）間もなく、や、その内部で働く核力の性質を解明していった。

原子核内に中性子が存在することがラザフォードの原子核の構造が明らかになるにつれ、核反応を詳細弟子のジェームズ・チャドウィックによって発見さに議論することが出来るようになった。太陽の中でれ（1932 年）、原子核は陽子と中性子（２つをまと水素がどのように核融合反応を起こしてヘリウムにめて核子と呼ぶ、これらは素粒子ではなく、それぞ変わるのかを定量的に説明したハンス・ベーテの熱れ３つのクォークからなる複合粒子系）というスピ核融合反応論（ 1938 年）の成功は、ビッグバン後ン 1/2 のフェルミオンが、核力という非常に強くての宇宙で元素がどのように作られたかを解明する天複雑な様相を持った力のもとで運動する量子多体系

体核物理学へと発展した。

であるという、原子核の基本概念が確立した。その第二次世界大戦後、世界各地に粒子加速器や研究

わずか 13 年後に誘導核分裂反応を利用した核爆弾用の原子炉が建設され、原子核の構造や核反応機構が広島と長崎に投下されたことを思うと、全てに優の研究が本格化した。系統的な研究は、原子のよう先する軍事という目的の牽引力の大きさに驚かされな力の中心を持たない原子核にも「魔法数」があるる。

ことを明らかにした（1949 年）。これは、核子は他自然界には 264 種ある安定な原子核ばかりが存在の核子から強い引力を受けながら、核子同士が近づしている訳ではなく、有限の寿命を持って別種の原

くとパウリ原理による強い斥力を感じるというフェ子核に転換する様々な不安定な原子核（ラジオアイ

ルミオン特有の多体効果によって、核子同士はつかず離れずの距離を保ち、自分以外の核子が作る平均＊Tadashi SHIMODA

1952年5月生
京都大学・大学院理学研究科（1980年）
現在．大阪大学大学院 理学研究科
教授 理学博士 原子核物理学
TEL：06-6850-5744
FAX：06-6850-5764
E-mail：shimoda@phys.sci.osaka-u.ac.jp

的な力の場の中であたかも独立に運動しているかのような描像が良い近似で成り立つからである。また、２つの核子のあいだに働く、スピンとアイソスピンをゼロに組ませるような対相関相互作用が核構造に重要性な役割を演じていることも明らかになってきた。
図１は、一体どれだけの種類の原子核が存在するかを示した「原子核の地図（核図表）」である。横軸に中性子の数、縦軸に陽子の数をとり、一つ一つ− 62 −

生産と技術第60巻第２号（2008）の原子核をこの平面上の小さな四角で表している。

構造が発見され始めた。図２は軽い中性子過剰核に斜めに連なる濃い四角が安定な原子核である。縦横おいて発見された新奇な構造を模式的に示したものの実線は魔法数を表す。この線上の原子核は、そのである。たとえば、中性子ドリップラインの近くのまわりの核に比べてより安定性を示す。濃い四角を核における、中性子の波動関数が空間的に大きく広取り囲む薄い色のものがこれまでに発見された不安がった「中性子ハロー」構造があげられる。また、定核で、約 3000 種にのぼる。こういった不安定核は、中性子の数を魔法数である８あるいは 20 に保った

安定な原子核に核子をくっつけたりはぎ取ったり、まま陽子の数を減らして行くと、魔法数の特徴が消あるいは重い原子核をバラバラに壊して生成する。

えてなくなってしまうという現象が発見された。替濃い四角の領域からより遠い不安定核を生成しよう

わりに中性子数 16 の中性子過剰核が魔法数の核にとすれば、こういう操作がより難しくなるのは容易ふさわしい性質を持っているように見える。陽子のに想像出来よう。1970 年代以降に発達した高エネ数と中性子の数が大きくずれた 16 C では、陽子・中ルギー・大強度の重イオン加速器や陽子加速器、お性子間の相関が弱くなって独立に運動しているようよび生成核を分離・測定する技術の進展は、安定核に見える励起状態が発見された。言わば陽子は卵のからより離れた原子核の生成を可能にし、その核構黄身のように固まり、それを白身のように分布した造が調べられてきた。不安定な原子核にこれ以上陽中性子が取り囲んで、独立に運動しているようなイ子や中性子をくっつけようとしても、もはや結合状メージである。また、中性子の数が多いベリリウム態を作れない（こぼれてしまう）という限界（図１のアイソトープでは、２つのα粒子を中性子が取りにあるギザギザの実線で、「ドリップライン」と呼巻いている「クラスター構造」が発見されている。

ばれる）まで数え上げると、存在が可能な原子核はどうしてこういった構造があらわれるのかを理解す6000 種あるいは 7000 種に達すると予測されている。

ることは、陽子の数と中性子の数が極端に非対称な存在すら確認されていない不安定核はまだ多数残っ核子多体系における核力に関する知見を得るとともていることがわかる。に、有限量子多体系を記述する手法の妥当性を検討するうえで、大変挑戦的な課題である。さらに、こういった安定領域から極端に遠い不安定核が、ある種の高温・高密度の星の内部や超新星爆発における元素合成過程に重要な役割を果たしているのではないかと言われており、それらの核の構造や性質を解明することは、原子核物理学のみならず宇宙物理学からも求められている緊急の課題である。

図１

核図表：横軸に中性子数、縦軸に陽子数をとって、どのような原子核が存在するかを示したもの。

２．不安定な原子核の奇妙な構造
1990 年頃から、不安定核を二次ビームとして供給できる「不安定核ビーム施設」が本格稼働し、不安定核が入射する核反応の研究や、安定領域からますます遠い不安定核の構造の研究が可能となってきた。その結果、中性子の数が安定核のそれと極端に異なる不安定核において、これまでに得てきた原子核に関する知識では容易には理解できない、奇妙な− 63 −図２

軽い原子核の領域の核図表。最近発見された新奇な核構造を模式的に示す。（理化学研究所のホームページにある素材を使って作成）

生産と技術第60巻第２号（2008）３．特定の方向にスピンが向いた原子核が放つベータ崩壊から探る不安定核の構造
私たちのグループでは、不安定核の構造を研究するために、核内で核子がどのように運動しているのかに敏感な物理量を高感度・高精度で測定している。
本稿では、レーザーを用いて不安定核のスピンの向きを偏らせて（偏極させて）、その崩壊を観測するという、独自の研究手法を紹介する。
多体系である原子核には様々な励起状態が存在し、どのエネルギーにどのようなスピンとパリティを持
図３った固有状態が現れるかは、核子がどのように相互中性子過剰核の崩壊の様子。

作用しどのように運動しているのかを理解するうえで欠かすことの出来ない物理量である。しかし、安定領域から遠く離れた核では、基底状態のスピンやパリティすらわかっていなかったり、励起状態が全く未知であったりすることが少なくない。
私たちは、不安定核のβ崩壊を利用して娘核の準位を生成し、個々の準位の励起エネルギー、スピン、パリティ、崩壊経路を測定している。図３は中性子過剰な不安定核 AZ（ A は質量数、Z は原子番号）が図４

β崩壊を起こす状況を模式的に表している。縦方向スピンの向きに対してβ線は非等方的に放出される。
β線を左右に置いた検出器で測定して計数のアンバランスさを求める。にエネルギーを取り、核の状態を水平線で表している。β崩壊によって一つ原子番号の大きい原子核

1957年、まだ 20 歳代の中国人理論物理学者、A( Z+1)（娘核：daughter nucleus という粋な名で呼T.D. Lee と C.N. Yang は、弱い相互作用においてばれている、元の核 AZ は親核：parentnucleus とはパリティが保存していないかも知れないと考え、呼ばれる）の状態が生成される。安定領域から離れコロンビア大学の中国人女性実験物理学者 C.S. Wu

た核では、親核と娘核の質量差が大きいため、生成に、そのことを検出するための最適な実験を提案しされる娘核の準位は広い励起エネルギー範囲にわたた。極低温環境下での断熱消磁法を用いてスピンのっている。多くの場合、それらの準位は中性子放出

向きが特定の方向に揃えられた 60Co が、スピンののしきい値エネルギーよりも上に位置し、さらに中向きとは逆の方向に多くのβ線を放出することが観性子を放出して原子核 A-1(Z+1)（孫核と呼ぶ）の状測され、パリティ保存が 100 ％破れていることが確態が生成される。中性子しきい値よりも低い準位や認された。

孫核の励起準位はγ線を放出してそれぞれの基底状私たちも、不安定核のスピンの方向に放出される態に至る。このような中性子やγ線の離散的なエネβ線と逆向きに放出されるβ線の数を数える（図４

ルギーを測定し、同時計測の関係から崩壊経路を特参照）。もちろん、β線と同時に娘核や孫核が放出定すれば、娘核の準位の励起エネルギーを求めるこする中性子やγ線を測定し、娘核のどの状態へβ崩とが出来る。これがβ-delayed decay spectroscopy

壊したかをイベント毎に同定する。β線の数の非対と呼ばれる方法である。私たちは、これに加えて親称度はβ崩壊に固有な非対称パラメーター A と呼ば核のスピンを偏極させるという独自の方法をとる。

れる物理量に依存するが、A は始状態と終状態のス

そうすれば娘核の準位のスピンとパリティを求める

ピンの値によって大きく異なる。例として、11Li（半ことが出来る。β崩壊の原因となっている弱い相互減期 8.5 ms、最も多くの中性子を含む L i のアイソ作用（核力のひとつ）においてパリティが保存されトープ、安定アイソトープは 6L i と 7L i ）が 11Be にないという事実を利用するのである。

β崩壊する場合を考えよう。11L i の基底状態のスピ− 64 −

生産と技術第60巻第２号（2008）

ン・パリティは 3/2−であることが知られている。

方向を向いている、すなわち原子集団はスピン偏極遷移確率の大きな許容転移に話を限るなら、娘核する。しかもこの M F = ＋2 の状態では原子スピン11Be の励起状態のうちβ崩壊で生成されるのはと原子核スピンが同じ方向を向いているのであるか1/2− か 3/2− か 5/2− のどれかのスピン・パリティら、核スピンも偏極している。これが通常のレーザを持った状態のみである。それぞれのスピン・パリー光ポンピング法である。

ティに対応する非対称度パラメーター A は、−１かしかし、これでは大きな偏極度は達成できない。

−0.4 か ＋ 0.6 である。こんなに A が飛び離れてい超微細構造相互作用によって分裂した基底状態のもることがポントである。左右の検出器で観測されたう一方（上の例では F =１の状態）に始めからあっβ線の数の違いから A は容易に求められるが、A にたり、ポンピングの過程で F =１の状態遷移してきある程度の誤差があっても娘核の状態のスピン・パた状態は放っておかれるからである。そこで、私たリティが不定性なく求められるのである。

ちは超微細構造のエネルギー差を持った２つのレー不安定核のスピンの向きを揃えるのには様々な方ザービームを同時に照射し、両方の基底状態（F =１法があるが、私たちは非常に大きな偏極度が得られおよび F =２）に対してポンピングを行うという独るレーザー光ポンピング法を用いている。再び 11L i

自の方法をとる。11L i の場合には 905 MHz だけ波を例にとろう。図５は 11L i 中性原子の準位（原子核長の違う光を使う（図５参照）。

ではない）を示している。縦方向にエネルギー、横方向に原子全体のスピン F（= I + J ）の Z 成分（MF）をとっている。アルカリ元素であるリチウムでは電子の閉殻の外に電子が一つあるだけなので比較的単純な準位構造である。基底状態 2 S 1/2 と励起状態
2 P 1/2 ともに、電子と原子核との電磁相互作用（超微細構造相互作用）によって２つに分裂している。
ここで例として、２つのうちの一つ、F =２の状態にある原子を考えよう。この原子に円偏光したレーザー光（波長は 2S1/2 と 2P1/2 の間のエネルギー差に
図５ 11L i 中性原子の準位と光ポンピング法の模式図等しい）を吸収させ、角運動量変化が ＋１の励起を起こさせる（右斜め上方向の矢印）。始めは原子はスピン偏極していないのであるから、基底状態の私たちは、不安定核のスピン偏極を利用するとい全ての MF の状態が均等に占有されている。そのううこの種の実験を、バンクーバーにあるカナダ国立ち一番右にある準位（M F =＋２）は、円偏光レー

素粒子原子核研究所 TRIUMF において行っている。

ザーを吸収できないことに注意されたい。右斜め上

TRIUMF では 500 MeV、100 μA の陽子ビームを用に励起状態が存在しないからである。その他の基底いて不安定核を生成し、それを加速したビームとし準位は光を吸収して 2P1/2 の励起準位に遷移するが、て供給出来る不安定核ビーム施設が 2000 年に稼働

それらはただちに光を放出して基底状態に脱励起すを開始した。上記の光ポンピング法に基づく偏極生る。その際、角運動量の Z 成分の変化が −１、0、成装置が完成間近だった同年末に、私たちは詳細が＋１という全て遷移（下向きの矢印）が可能である。

ほとんどわかっていなかった 11Be（中性子ハロー核ひとつの原子に何度もレーザー光を吸収させて、この一つ）の励起準位を調べる実験（スピン偏極したの過程を繰り返すと、基底状態のうち一番右にある11L i ビームを用いる）を提案し、最優先の実験課題準位の占有率が高くなる。先に述べたように、一旦として評価委員会の承認を受けた。こうして 2001

この準位に至った原子はもはや光を吸収出来ず、別年１月から、大阪大学、高エネルギー加速器研究機の準位に戻れないからである（スピン緩和はないと構、TRIUMF の３つのグループからなる国際共同いう条件下でなければならないが）。この準位の占研究がスタートした。

有率が 100 ％とすると、全ての原子のスピンが Z 軸

図６は不安定核ビームの核偏極を作りだす装置を− 65 −

生産と技術第60巻第２号（2008）に飛び出し、それぞれに特化した検出器によって同時に計測される。偏極の方向および逆方向のβ線の数の差が水平方向に置いた２つのβ線検出器（betaray telescope）によって測定されるが、２つの検出器の検出効率が全く等しいということはあり得ず、β崩壊の非対称度を正確に求めることは難しい。そこで、スピンの向きを180 度反転させた場合の計数と比較することによって、検出効率の影響を取り除く。スピン反転はレーザーの円偏光度を反転させれ
図６

TRIUM における不安定核偏極装置とOSAKA beam-lineば実現される。これにはレーザービームに半波長板を挿入すれば良い。スピン反転は 30 秒毎に行われ示す[1]。左斜め下からやって来た 11L i の１価イオている。β線と同時に、娘核11Be から放出されるンビーム（30 keV）がナトリウムの蒸気ジェットが中性子を湾曲したプラスティックシンチレーターで、循環している neutralizer に入射し、ナトリウム原

孫核 10Be から放出されるγ線を Pt フォイルの上下子との衝突によって電子を１つ受け渡され、11L i のに置いたゲルマニウム検出器で測定する。中性子の中性原子ビームが生成される（中性化効率 70 ％）。

エネルギーは、検出器に到達するまでの飛行時間かこのビームに右手から円偏光レーザーが衝突する。

ら求める。飛行距離が一定になるよう、検出器は湾

飛行距離 1.9 m、飛行時間 2.6 μs のあいだに光の吸曲している（曲率半径 1.5 m）。

収と放出を 10 数回程度繰り返し、原子および原子核の偏極が生成される。中性ビームは高速で飛行しておりドップラー効果が甚大である。したがって、レーザー光の波長は正確にチューニングされなければならない。これには neutralizer 全体に印加された電圧を調整して 11L i のイオンビームの速度を減速調整することで達成される。偏極が生成された中性ビームは図６の右手に進み、低温ヘリウムガス（20 K ）と衝突して電子をはぎ取られ、再びイオンビームとなる（イオン化効率 70 ％）。次に、ビームは静電場を使って２回 45 度曲げられて、右上方の OSAKA beam-line へと導かれる。その終端に私たちの測定装置が置かれている。

図７

図７は測定装置の概念を示す。スピン偏極した

11L i の崩壊に伴って放出されるβ線、中性子、γ線を測定するための装置の概念図。

11L i ビームは真空パイプの中を左手からやって来て、図の中央の Pt stopper foil までビームが導かれ、Pt実験結果をお見せする前に、この実験で調べようフォイル中でビームは停止する。偏極の向きはビーとする 11Be に関するデータの状況を簡単に紹介しムの進行方向に垂直である。フォイルには偏極の向よう。11Be では中性子の数が魔法数８より一つ少きに静磁場がかけられており、スピンはその周りにない７なので、前述の独立粒子描像に基づくshell歳差運動をしながら偏極度が保たれる。11L i はやがmodel が良く成り立つはずなのに、基底状態と第てPt フォイル中でβ崩壊して娘核 11Be のたくさん一励起状態のスピン・パリティが、それぞれ 1/2−の励起状態が生成され、それらは中性子を放出してと 1/2＋ であるとの予測に反して、1/2＋ と 1/2− と孫核 10Be の励起状態が生成される。それらはγ線逆転していることが注目を集めてきた。1p 1/2 軌道を放出して 10Be の基底状態に至る。これらβ線、を占めているはずの中性子が、通常はそれより高い中性子線、γ線は薄いステンレス窓を通して大気中エネルギーを持っているはずの 2s1/2 にいるとしか− 66 −

生産と技術第60巻第２号（2008）考えられない。陽子の数に比べて中性子の数がこんたちは偏極ビーム生成装置（図６）の立ち上げを共なに多くなると、中性子数８は魔法数ではなくなるに担当したが、当初のもくろみに反して、テストをのではないかと言われてきた。1960 年代から議論行った 8L i の偏極度は 20 ％しか達成出来なかった。

されてきた重要な原子核であるにもかかわらず、実検討の結果、その原因が不安定核ビームのエネルギ

は 11Be の励起状態のスピン・パリティはほとんどーが予想外に大きく広がっていることにあることをわかっていなかった。またそれらがどのように崩壊突き止めた。そこでレーザー光の波長に変調をかけするのかという情報は少ししかわかっていなかった。

る素子（Electro-Optic Modulator）を３段重ねに用これでは核構造や核力の議論が難しい。

いてレーザーの波長幅を広げ、偏極度を 70 ％にま

図８はこの実験で測定された 11Be の励起状態とその崩壊経路・崩壊強度を示す[2]。大変細かくてで高めることに成功した。もちろん、この値は世界最高である。

恐縮であるが、私たちの実験によってこんなに詳細

2006 年からは中性子の数が非常に多い Mg のアが明らかにされたという印象を持って頂ければ幸いイソトープの核構造を探る実験を行っている。今度である。新たに確定された 11Be の個々の状態のスは偏極した Na のアイソトープビームを用い、検出ピン・パリティと、それぞれが 10Be どのような状器は Mg から放出されるγ線を測定するものが主と態にどれだけの確率で遷移するのか、また 11L i のなる。図９は 2007 年 11 月末に行った実験終了時、β崩壊によって 11Be のどの状態がどれだけの強度で生成されるのかといった情報を様々な核構造モデ
ルに基づく理論計算と比較すると、11Be の状態がどのような構造を持っているかが見えてきた。それによると、この実験で観測された 11Be の状態は大別して次の３種類のαクラスター構造（原子核内に陽子２個と中性子２個が固まった単位［α粒子あるいはヘリウム４の原子核］が存在する）が現れていることがわかった。一つ目の構造では、２つのα粒子が比較的近づいて存在し、その周りを３個の中性子が取り巻くように運動し、α粒子同士をつなぎ止めているように見える。２つのα粒子は結合状態を作れない（ 8Be は結合状態として存在しない）ことに注意されたい。まさに「子はカスガイ」といったように、多すぎる中性子が別れようとする２つのα

図８

私たちの実験で明らかにされた 11L i のβ崩壊、Be の励起状態およびそれらの崩壊経路[2]。
この実験で 11Be の励起状態のうち６つの状態のスピンとパリティが明らかにされた。

11粒子を引き留めている。そして、原子核全体がぐるぐると回転し、回転の角運動量の違いに応じて励起エネルギーの違う状態が現れる。二つ目の種類の構造では、２つのα粒子のあいだの距離はもっと大きくて、原子核全体はもっと細長くなっている。三番目の構造では、α粒子は一つしか存在せず、その周りを２個の陽子と５個の中性子が取り巻いている。
TRIUMF における不安定核ビーム施設は、世紀の変わり目に完成した最新のものとして世界の注目を集めてきたが、新しい実験手法を用いて長年の懸案であった原子核の構造を明らかにしたこの実験は、
TRIUMF 稼働直後の実験として高い評価を受けた。
しかし、ここまでの道のりは平坦ではなかった。私− 67 −

図９

2007年11月、カナダの TRIUMF における実験メンバーの集合写真。

生産と技術第60巻第２号（2008）

実験装置を背景に撮った集合写真である。不安定核

安定核原子に対してレーザー光ポンピングを行い、ビームは左手からやって来る。円筒状で角のようにマイクロ波（またはラジオ波）を照射し、二重共鳴配置されたものがγ線検出器で、全部で９台ある。

レーザー分光法と呼ばれる方法によって超微細構造

ここには 11 名が写っているが、これ以外に、実験分裂幅（またはゼーマン分裂幅）を測定し、核モー装置の組み立てと調整を行った後に帰国し支援要員メント（または核スピン）を求めるというものであを務めた３名がいるので、総勢 14 名の研究チームる。液体ヘリウムの特異な性質を利用することによである。って、真空中に比べて桁はずれに高感度な測定が可能であるというのがポイントである。安定核を用い４．おわりにた実証実験が極めて成功裡に終了し[3]、不安定核

図９には理学研究科修士課程１年生が２名、理学部４年生が３名写っている。このような若者達が海に対する本実験を来年度理化学研究所にて行うべく準備中である。

を越えてやって来て、現場で生き生きと働いている

このような新しい実験手法を、「原子核の父」とことに TRIUMF の人々は大変な関心を示した。所呼ばれた、かのラザフォードは何と評するだろうか。

長を始め、加速器オペレーターや毎日掃除に来てく

弟子のロシア人物理学者カピッツアが「決して後ずれる人々といった多様な人々が、彼らと様々な形のさりしない生物」という意味で「クロコダイル」（ロ交流を行った。学生達は、自分達の実験のために様々シア語で「偉大なる父」という意味も持つ）とあだな部署にいる人々が 24 時間働いてくれていること、名をつけたラザフォードを見習って、私は決して後実験がうまくいっているかどうかを常に気にして声ずさりしない気概を持って日々教育と研究に励んでをかけてくれることに感激をしていた。国際共同研いる。

究にはお金と手間が非常にかかるが、物理の成果を得るという目的だけでなく、このような日々の交流

参考文献が人材育成にも大いに役立っていることを実感した。

[1] C. D. P. Levy et al., Nuclear Instruments and以上説明してきたように、レーザーのおかげで原Methods in Physics Research, B204 (2003) 689.

子核の量子状態を制御することが出来るようになっ[2] Y. Hirayama et al., Physics Letters, B611 (2005)てきた。私たちは、不安定核の基底状態のスピンや239.

電磁気モーメントを測定する、新しい方法の開発に[3] T.

も挑戦している。超流動ヘリウムに打ち込まれた不− 68 −Furukawa et al., Physical Review Letters,96 (2006) 095301.