21 世紀最大の謎の 1 つは、ビッグバン後に元素がどのように形成されたかということです。

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原子物理学における長年の謎は、「なぜ宇宙は私たちの周りにある特定の物質でできているのか？」ということです。言い換えれば、なぜそれが「これ」で構成されていて、他の何かではないのでしょうか?特に興味深いのは、中性子星の合体や超新星爆発の際に起こると考えられている、金、プラチナ、ウランなどの重元素の生成に関与する物理的プロセスです。欧州原子核研究機構（CERN）で実施された国際原子物理学実験を主導する米国エネルギー省アルゴンヌ国立研究所（DOE）の科学者らは、その研究結果をPhysical Review Letters誌に発表した。

この実験では、アルゴンヌ国立研究所で開発された新しい技術を使用して、宇宙の重元素の特性と起源を研究します。この研究は、「エキゾチック」な原子核を共生させるプロセスに関する重要な洞察を提供し、恒星の出来事や初期宇宙のモデルに情報を与える可能性がある。この共同研究に参加した原子核物理学者たちは、鉛よりも少ない陽子と原子核物理学の分野で「魔法の数字」である126個を超える中性子を持つ原子核の中性子殻構造を初めて観測した。これらの魔法数（8、20、28、50、および 126 は標準値）では、閉じた電子殻を持つ希ガスと同様に、原子核の安定性が高まります。

中性子数が魔法数126を超える原子核は生成が難しいため、これまでほとんど検出されてこなかった。それらの挙動に関する知識は、宇宙の多くの重元素を生成する急速中性子捕獲過程、つまりr過程を理解する上で非常に重要です。 r 過程は、中性子星の合体や超新星などの極端な恒星条件下で発生すると考えられています。これらの中性子が豊富な環境では、原子核が急速に成長し、中性子が崩壊して新しい重い元素が作られる前に中性子を捕獲します。この実験では、水銀の同位体である Hg207 に焦点を当てました。

Hg207 の研究は、その近傍の原子核、つまり r 過程の重要な側面に直接関与する原子核の特性を解明するのに役立つ可能性があります。 「今世紀の最大の疑問の一つは、ビッグバン後の宇宙の始まりに元素がいかにして形成されたかだ」と、この研究の主任科学者であるアルゴンヌ国立研究所の物理学者ベン・ケイ氏は語った。 「地球から超新星を掘り出すことはできないので研究は難しい。そのため、このような極端な環境を作り出し、その中で起こる反応を研究する必要がある。」 Hg207の構造を研究するために、研究者らはまずスイスのジュネーブにあるCERNのHIE-Isolde施設を使用しました。

写真: CERN のイゾルデソレノイド分光計の内部

高エネルギー陽子ビームが溶融鉛ターゲットに照射され、その結果生じる衝突によって数百の異常な放射性同位体が生成されます。その後、Hg206の原子核は他の破片から分離され、CERNのHIE-ISOLDE加速器を使用して、加速器施設でこれまでに達成された中で最も高いエネルギーのビームが生成されました。その後、ビームは新しい ISOLDES ソレノイド分光計 (ISS) 内の重水素ターゲットに集中されました。このような品質の水銀原子ビームを生成し、それをこのような高エネルギーに加速できる装置は他にありません。

これを国際宇宙ステーションの優れた解像度と組み合わせることで、Hg207の励起状態のスペクトルを初めて観測することができました。国際宇宙ステーションには、Hg206原子核が中性子を捕獲してHg207になる事例を検出するために原子核物理学者が使用する、新しく開発された磁気分光計が搭載されています。分光計のソレノイド磁石は、オーストラリアの病院から回収された 4 テスラの超伝導磁気共鳴磁石をリサイクルしたものです。これは、英国主導のリバプール大学、マンチェスター大学、ダーズベリー研究所、ベルギーのルーヴェン・カトリック大学の協力により、CERNに移送され、ISOLDEに設置されました。

重水素は、陽子と中性子で構成される水素の希少な重い同位体であり、Hg206 が重水素ターゲット上で中性子を捕獲すると、陽子が反動します。これらの反応で放出された陽子は国際宇宙ステーションの検出器まで移動し、そこで陽子のエネルギーと位置から原子核の構造とその結合方法に関する重要な情報が得られます。これらの特性は r 過程に大きな影響を与え、その結果は核天体物理学モデルにおける重要な計算の指針となります。 ISS は、アルゴンヌ国立研究所のジョン・シファー特別研究員が開発した先駆的なコンセプトを採用しています。

このコンセプトは、国際宇宙ステーションの分光計の開発に影響を与えた機器である、研究所のヘリカル軌道分光計 HELIOS として構築されています。かつては研究不可能だった核特性の探究は、HELIOSのおかげで2008年からアルゴンヌで進められている。CERNのISOLDE施設は、アルゴンヌが生成できる原子ビームを補完する原子ビームを生成することができる。過去一世紀にわたり、原子物理学者は軽いイオンビームが重い標的に激突する衝突を研究することで原子核に関する情報を集めることができてきた。

しかし、重いビームが軽量のターゲットに当たると、衝突の物理的性質が歪んで解析が難しくなります。アルゴンヌの HELIOS コンセプトは、この歪みを排除するソリューションです。ビームが繊細なターゲットに当たると、運動学が変化し、結果として生じるスペクトルが圧縮されます。しかし、磁石の内部で衝突が起こると、放出された陽子はらせん状に検出器に向かって移動し、数学的な「トリック」によって運動圧縮が展開され、圧縮されていないスペクトルが生成され、基礎となる核構造が明らかになります。

CERN 実験のデータのこの最初の分析は、現在の原子核モデルの理論的予測を確認するものであり、研究チームはこれらの新しい機能を使用して Hg207 領域の他の原子核を研究し、原子核物理学と r 過程の未知の領域についてより深い洞察を得る予定です。

ボコパーク |研究/出典: アルゴンヌ国立研究所

参考ジャーナル: Physical Review Letters

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