2022/04/28

元素起源の謎の解明に向けた世界最速質量測定が始動

-稀少RIリングを用いた短寿命放射性同位体の質量決定に成功-

理化学研究所

筑波大学

埼玉大学

東京大学大学院理学系研究科

概要

理化学研究所(理研)仁科加速器科学研究センタースピン・アイソスピン研究室サラ・ナイミ研究員(研究当時)、ホンフー・リー国際プログラムアソシエート(研究当時)、上坂友洋室長、短寿命核質量測定装置開発チームの山口由高技師、筑波大学数理物質系の小沢顕教授、埼玉大学大学院理工学研究科の山口貴之准教授、東京大学大学院理学系研究科の道正新一郎助教らの国際共同研究グループは、RIビームファクトリーの「稀少RIリング」を用いて、新たに確立した超高速質量測定法により、極短寿命同位体(RI)の一つである中性子過剰なパラジウム-123(123Pd:原子番号46、中性子数77)核の質量を精密に決めることに初めて成功しました。

本研究成果は、鉄よりも重い元素の起源の解明に向け、速い中性子捕獲過程(r過程)に関わる多くの稀少RIの質量精密決定への道を開くものです。

今回、国際共同研究グループは、周回時間の等時性という特性を持つ稀少RIリングとRIを1個ずつ識別しながらリングに入射する個別入射法を組み合わせ、リング内で粒子を約0.7ミリ秒飛行させた後、粒子の種類による到着時間の差(ズレ)から質量を導出すことで、世界最速で精密な質量決定を実現させました。この手法により、123Pd核とその周辺の原子核の質量を、その寿命より短い時間で測定できることを実証しました。その結果、太陽系で観測されている質量数122と123の元素比をよく説明できることが明らかになりました。

本研究は、科学雑誌『Physical Review Letters』オンライン版(4月15日付)に掲載されました。

 

図:稀少RIリングによる超高速質量測定法の概念図
左上のSRCからの重イオンビームと生成標的との反応により、r過程核を含む大量の同位体がランダムに生成される。その粒子群からBigRIPS装置により、研究対象粒子の周辺同位体だけを分離・選択する。その後、生成標的の下流に置かれた検出器により、到達した粒子が研究対象粒子かどうか識別される。さらに、粒子は光速の55%の速度で飛行し、約1μs後に稀少RIリングの粒子入射システム(キッカーシステム)まで到達する(緑矢印)。一方、検出器の識別信号は光速の95%で伝送できる同軸管(青線)により、稀少RIリングまで0.5μsで伝送される。その結果、キッカーシステムは、0.5μs弱で動作可能である。

 

なお、本研究成果には、原子核科学研究センターの道正新一郎助教が参加しています。

 

詳細については、理化学研究所 のホームページをご覧ください。

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―