Transcript 全ての物質は原子からできている

原子核の世界を研究する
～クラスター構造を中心に～
原子核ハドロン物理学研究室
川畑 貴裕
分子・原子・原子核

全ての物質は原子からできている。

原子の大きさは、およそ１００億分の
１メートル
(10-10 m)。

原子の中心には原子核があり、その
回りを電子が周回している。

原子核は陽子と中性子からなる。

原子核の大きさは、およそ１００兆分
の１メートル(10-14 m)。
原子と原子核の大きさの比は1万倍！

原子の質量の99.98%は、原子核の質
量。
物質の質量の大半は原子核の質量！
原子の大きさを甲子園球場（～100 m）だ
とすると、原子核の大きさは、マウンドに
おかれたパチンコ玉（～ 5 mm）ほど。
もしパチコン玉の大きさの原子核を作れ
たとすると、質量は、約1.6億トン。
原子核の一般的性質

平均密度
原子核の種類に関わらずほぼ一定
ρ～ 0.17 核子/fm3
= 2.8 × 1014 g/cm3
= 2.8億トン/cm3 超高密度!!

半径
平均半径: R ～ 1.1 A1/3 fm

核子間の平均距離
１核子が占める空間の平均半径:
r ～ 1.1 fm,
陽子の半径 rp～ 1.2 fm
核子間の平均距離: d～2.2 fm
核力の平均到達距離にほぼ同じ。
多様な原子核の世界
中間エネルギー
重イオン反応
温度・励起エネルギー
液相気相共存
量子多体系である原子核
の世界では多様な物理現
象が発現する。
核物質
超重核
高スピン
巨大共鳴
クラスター崩壊
α捕獲・融合
閾値エネルギー
振動
クラスター
変形
殻模型的
励起状態
基底状態
陽子過剰核
低密度でα凝縮
安定核
核分裂・融合
共鳴・連続状態
弱結合系
シェルの変容
新しい魔法数
2中性子相関
中性子ハロー
中性子スキン
中性子過剰核
クラスター相関と独立粒子模型
核子は平均ポテンシャルの中の軌道を占
有し、互いに独立に運動している。
核子はクラスターごとに強く相関。
独立
クラスター相関
一見、互いに矛盾した描像に思えるが、原子核が見せる二つの異なる側面
を、それぞれ記述しているに過ぎない。
この事実は量子多体系である原子核の多様性を端的に示している。
原子核におけるクラスター相関の発現と消失を研究することは、原
子核を理解する上で非常に重要。
Cluster Structures
Cluster structures can be seen on all physical scale.
Galaxy
A galaxy contains 107—1012 stars.
50—100 galaxies constitute a
cluster of galaxies.
Hadron
Quarks are confined in hadron at normal T.
Quarks are deconfined and form QGP at
high T.
Cluster correlation is very important
to study the dynamics on each physical scale.
原子核におけるクラスター状態
一般に原子核では「独立粒子模型」が良く成り立つ。例
えて言うなら「混雑した通勤電車」。
通勤電車にはたくさんの人が乗車して混雑しているけれど、乗客は誰とも会話せ
ずに静かに乗車している。電車に1人乗っているのと変わらない。
‥‥‥
=
+
+

‥‥‥
+
+
+ ‥‥
時として、「混雑した行楽電車」になることもある。
グループ客は、客同士で固まって乗車し、互い
に会話（相関）している。
通勤電車とは明らかに異なる状態にある。
※
行楽電車のように核子がグループごとに強く相
関した状態をクラスター状態と言う。
クラスター状態探索実験@大阪大学
実験を大阪大学核物理研究センターで実施
oo
D2
Grand
Raiden
D1
LAS
高分解能磁気スペクトロメータ Grand Raiden
崩壊粒子検出装置
リングサイクロトロン
24Mgにおけるクラスター状態探索
励起状態の構造によって、崩壊する様式が異
なると期待される。
測定領域
崩壊確率
20Ne (gs) 69%
20Ne 2+
1 22%
24Mg
測定結果は、20Neへの強い崩壊を示しており、
Ex =14 MeV付近の状態が 2α+16O クラスター状態
であることを示唆している。
Exotic Structures in Light Nuclei
3α Cluster Chain in 14C
Molecular Structures
in O and Ne Isotopes
Stable Spherical Nuclei
12O 13O 14O 15O 16O 17O 18O 19O 20O 21O 22O
11N 12N 13N 14N 15N 16N 17N 18N 19N 20N 21N
Cluster Gas
0+2 in 12C
C
8C
9C 10C 11C 12C 13C 14C 15C 16C 17C 18C 19C 20C
B
8B
9B 10B 11B 12B 13B 14B 15B
Be 7Be 8Be 9Be 10Be11Be12Be
11Li
Li 6Li 7Li 8Li 9Li
He 3He 4He
H
1H
2H
6He
14Be
19B
Different Deformation
in p and n distributions
10C, 16C
8He
3H
Excited States
n
Slide by Y. K-En’yo
17B
core
core
Neutron Halo
6He, 11Be
Neutron Skin
8He, 20C
 Cluster Molecule
Be Isotopes
RIビームファクトリー＠理化学研究所
不安定核(RI)ビームを作り出して、その性質を明らかにする。
世界初、史上最強 8,300t
超伝導リングサイクロトロン(SRC)
水素からウランまでの元素を光速の約
70%まで加速
分散整合ビームライン
不安定核ビームの運動量を
分析する。
世界最大口径
超伝導ＲＩビーム収集分離装置
(BigRIPS)
生成された多くの不安定核の中
から必要な原子核を選び出す。
高分解能磁気スペクトロメータ
SHARAQ
分散整合技術で高分解能を達成
不安定核ビームを使った散乱実験
不安定核は標的にできないので逆運動学実験をしなければならない。
順運動学実験
 mi , pi 
逆運動学実験
 m3 , p3 
m , p 
 m2 , p2 
 m1, p1 
 m1,0
質量欠損分光
別のやり方を考えてみる:
反跳粒子を測定すれば、逆運動学条件下
でも質量欠損分光を実行できる。
反跳粒子のエネルギーはとても低い。
j
 mk , pk 
 m2 ,0
力づくで解決する:
不変質量分光では全ての崩壊粒子を測
定しなければならない。
 崩壊粒子の数が増加するとあっ
という間に破綻する。
j
不変質量分光
 0, pl 
 mi , pi 
m , p 
 m2 , p2 
j
j
 mk , pk 
 m1,0
 m3 , p3 
 0, pl 
不安定核ビームを用いた質量欠損分光
アクティブターゲット開発
低エネルギー反跳粒子を測定するためにアクティブターゲットを開発中
Pre-Amp.
Active
Target
Drift Cage
Encoder
Beam
まとめ



原子核の世界は、様々な現象が発現する多様
な世界です。
その多様な世界を支配するダイナミクスを明ら
かにするため、クラスター状態の研究をしていま
す。
安定核だけでなく、不安定核も対称に幅広く研
究をやっています。