2022/04/27

スーパーコンピュータ「富岳」で炭素の起源を探る

 

-第一原理計算で導かれたアルファクラスターの構造-

理化学研究所

東京大学大学院理学系研究科

日本原子力研究開発機構

概要

理化学研究所(理研)仁科加速器科学研究センター核分光研究室の大塚孝治客員主管研究員、阿部喬協力研究員、東京大学大学院理学系研究科附属原子核科学研究センターの角田佑介特任研究員(研究当時、現筑波大学計算科学研究センター研究員)、日本原子力研究開発機構の宇都野穣主任研究員らの国際共同研究グループは、スーパーコンピュータ「京」と「富岳」を用いた第一原理計算により、炭素-12(12C)原子核(陽子数6、中性子数6)の量子構造を明らかにしました。

本研究成果は、地球環境や生命の誕生に欠かせない炭素の起源の解明に貢献するとともに、アルファ崩壊の理解に新たな視点を与え、超重元素崩壊の予言に寄与するものと期待できます。

ヘリウム(4He)原子核は、陽子2個と中性子2個が強く結合した安定な原子核で、アルファ(α)粒子とも呼ばれます。恒星の進化の過程では、3個のα粒子が同時に衝突・合体することで、しばしば「ホイル状態」と呼ばれる不安定な12C原子核が形成されます。このホイル状態の12C原子核の一部が安定な12C原子核に遷移しますが、これまでホイル状態の量子構造は不明でした。

今回、国際共同研究グループは、12C原子核中の核子(陽子と中性子)の密度分布が一様ではなく、その中間段階に「αクラスター」と呼ばれるα粒子に似た構造が構成要素となることを示しました。この結果は、αクラスターの存在を仮定することなく、スパコン「京」や「富岳」を駆使した量子色力学[7]に基づく大規模な第一原理計算により得られました。3個のα粒子からホイル状態が作られ、その後に基底状態へ遷移する過程が12C原子核を作り出すことがよく説明できています。

本研究は、オンライン科学雑誌 『Nature Communications』(427日付:日本時間427日)に掲載されます。

 

図:α粒子、12C原子核の基底状態とホイル状態の核子密度分布(第一原理計算の結果)

 

なお、本研究成果には、大塚孝治東京大学名誉教授(現・理化学研究所 客員主管研究員)、原子核科学研究センターの角田佑介特任研究員(研究当時)、清水則孝特任准教授(研究当時)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―