自然界最小の励起エネルギーを持つ原子核状態(アイソマー状態)の人工的生成に世界で初めて成功したと、岡山大学、産業技術総合研究所、理化学研究所、大阪大学、京都大学、東北大学、ウィーン工科大学、高輝度光科学研究センターの共同研究グループが発表した。

 自然界に存在する約3300種以上の原子核の中で、最小の励起エネルギーを持つのがトリウム229だ。トリウム229の励起状態はアイソマー状態と呼ばれ、レーザーを用いて励起することができる唯一の原子核励起状態とされる。しかし、従来のアイソマー状態の生成手段は放射線を伴う複雑な過程であり、レーザー励起の実現に必要な精度のエネルギー情報はいまだ得られていない。

 こうした中、本研究者らは、大型放射光施設(SPring-8)の高輝度X線を用いた原子核共鳴散乱技術により、アイソマー状態を大量かつ自在に生成することを可能にした。基底状態にあるトリウム229にX線を照射して第二励起状態に励起させ、核共鳴散乱と高精度X線絶対エネルギーモニターを用いながらアイソマーへの遷移を観測した。放射線の少ないクリーンな環境下でアイソマーを生成できるという利点がある上、制御された状態でのアイソマー生成に成功したことで、第二励起状態のエネルギーやその寿命、第二励起状態からアイソマーへの遷移確率などを正確に決定することができたといい、トリウム229原子核に対する理解を格段に進めることができた。

 トリウム229は、超精密な“原子核時計”の構築、暗黒物質の探索、物理定数の経年変化探索の舞台(プラットフォーム)などとして有益であると予想されている。本成果により、アイソマー状態の研究が進展し、これらの実現に向けて大きく前進するものと期待されている。

論文情報:【Nature】X-ray pumping of the 229Th nuclear clock isomer

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大学ジャーナルオンライン編集部

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