新フッ素同位体のフッ素30を観測――理研RIビームファクトリーを利用東京工業大学ら

東京工業大学は2024年8月28日、同大学理学院と独ダルムシュタット工科大学、仏Grand Accelerateur National d’Ions Lourds（GANIL）、理化学研究所の国際共同研究チームが、理化学研究所 RIビームファクトリー（RIBF）で、世界で初めて、フッ素同位体としてはこれまでで2番目に重いフッ素30を観測したと発表した。未知の中性子間力の解明にもつながることから、中性子星の構造などを理解する鍵になると期待される。

自然界で安定に存在できない不安定同位体（不安定核）は、陽子の数と中性子の数に大きな偏りができる。特に超新星爆発や中性子星合体などの爆発的な天体現象では、中性子数が陽子数に比べて非常に大きい短寿命の原子核（中性子過剰核）が瞬間的に生成されることがある。

中性子過剰核は、重イオン加速器や不安定核ビーム生成技術を用いると、地上でも人工的に生成でき、中性子過剰核の新しい構造や反応様式が明らかになりつつある。宇宙の元素合成の仕組みや、高密度天体である中性子星の謎などが明らかになると期待されている。

フッ素30は、中性子数が陽子数の2倍以上もある中性子過剰核で、生成が難しく、寿命が短いため、観測例がなかった。フッ素30の質量観測は、未知の中性子間力である三中性子間力に対する制限を与える。そこから中性子星の構造や中性子星合体のメカニズムで重要な役割を果たす、中性子物質の状態方程式にも重要な知見を与えることも期待される。

研究では、世界で初めてフッ素30の生成とその同定に成功した。RIBFにおいて、高エネルギーのネオン31（陽子数10、中性子数21）を陽子標的に衝突させ、ネオン31から陽子を叩き出した結果、フッ素30が生成された。

フッ素30は寿命が10のマイナス22秒程度と非常に短く、中性子1個を放出してフッ素29（中性子数20）にすぐに崩壊する。多種粒子測定装置（SAMURAI）で、その崩壊過程を観測することによって生成を確認し、さらにこれまで不明だったフッ素30の質量も同時に決定された。

今回得られたフッ素30の質量の値で、中性子数が20（本来は魔法数）に近いフッ素同位体について、中性子過剰核での魔法数20の破れが完全に確定した。中性子魔法数20の消失は、陽子数8（酸素同位体）から9（フッ素同位体）に広がっている。また、一つ中性子の多いフッ素31では、魔法数の消失で角運動量の小さい状態が混じりやすくなり、中性子ハローと呼ばれる特異状態ができる可能性も示された。

中性子数が15から21までの酸素同位体とフッ素同位体の1中性子分離エネルギー（質量より得られる)。中性子数16から17にかけて急激に減少するのは、中性子数16が魔法数であるため。一方、中性子数20ではそのような急激な変化はないことから、魔法数20が消失していることが明らかになった。

魔法数20の消失により、スピンゼロの対（クーパー対に対応）を2個の中性子が作りながら、さまざまな軌道を往き来することができるようになり、超流動状態を作り出すことが示唆された。一方、中性子数16を超える酸素やフッ素の中性子過剰核の質量は、三中性子間力（未知の中性子間力）の効果に敏感で、こうした未知の核力成分に対して制限を与えることが期待される。

今回の研究などにより、軽い酸素やフッ素ではどれだけ中性子をつけ加えられるのかがわかってきたが、ネオンを超える元素を構成する原子核では全くわかっていない。今後、より重い中性子過剰な同位体（中性子過剰核）の発見が進むと期待される。

中性子過剰核の研究により、未知の原子核の観測がさらに進み、関連する宇宙核物理分野などへの進展にもつながると期待される。

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