チタン48の原子核構造の概念説明。球は赤が陽子、青が中性子。原子核の中心からの距離（横軸）により構造が変わり、ごく外側では「アルファ（α）クラスター構造」を持つことが分かった（大阪公立大学提供）

　元素として重さが中程度といえるチタンの原子核では、個々の陽子と中性子が独立に中心の周りを回る「殻構造」が支配的だが、ごく外側でヘリウム原子核に相当する「アルファ（α）粒子」を含む「αクラスター構造」を持つことが分かった。大阪公立大学の研究グループが、理論計算と実験データの分析から解明した。中心からの距離により構造が変わるという、原子核の新たな見方を示した。

ヘリウム原子（He、原子番号2）の模式図。原子核は陽子と中性子の各2個で構成され、これを特にα粒子と呼ぶ

　ヘリウムの原子核は陽子と中性子が2個ずつ、核力によって強く結びついた塊で、特別にα粒子と呼ばれる。原子核内にα粒子が存在するαクラスター構造とみなせる。

α崩壊の例。放射性元素のラジウム（Ra、原子番号88）原子核からα粒子が飛び出し、ラドン（Rn、同86）原子核になる

　一方、原子核からα粒子が飛び出し、より安定した原子核に変わる「α崩壊」という現象がある。元素の中でも陽子や中性子が多く重い、放射性元素で起こる。例えばラジウムでは陽子と中性子の各2個が出るため、原子番号が2小さいラドンになる。 　ただし重い元素の原子核ほど、αクラスター構造ではなく殻構造がよく成り立つと理解されてきた。これでは陽子と中性子がバラバラでα粒子が成立せず、α崩壊が説明できない。理論物理学者のジョージ・ガモフが1928年に仮定の下で説明したものの、未解明だ。

　また、軽くも重くもない中程度の重さの元素の原子核が、αクラスター構造と殻構造のどちらになっているか、研究者の間で議論となってきた。

　そこで研究グループは、中程度の重さといえるチタンの同位体のうち、天然に存在する割合が最も高いチタン48について、原子核の構造を検討した。独自に、殻構造とαクラスター構造を同時に表せる数理モデルを構築。これを使い、チタン48に粒子を高速で衝突させる計算をすることで、原子核の構造を解析した。このデータを別のグループによる実験データと比較し、検証した。

　その結果、チタン48の原子核は中心から外側にかけて大部分が殻構造となっているが、ごく外側ではαクラスター構造が現れることを突き止めた。量子力学的には、ごく外側でαクラスター構造の成分があるといえる。