どうも！宇宙ヤバイch中の人のキャベチです。

今回は「中性子のみで構成された原子核を発見」というテーマで動画をお送りしていきます。

●今回の成果の背景

理化学研究所や東京大学などの国際共同研究チームは2022年6月、4個の中性子だけでできた原子核「テトラ中性子核」を生成したと発表しました。

この成果は陽子を含まない複数個の中性子のみで原子核を構成して存在できる新たな証拠となります。

さらに超高密度天体である中性子星の性質の理解にも繋がると期待されています。

宇宙に存在するもの、水も空気も、そして私たち生命もすべての物質は原子で構成されています。

原子の直径は、およそ1億分の1cmで、原子は原子核とその周りを取り巻く電子で構成されます。

原子をさらに1兆分の1cmまで拡大していくと、原子の内部に陽子と中性子で構成される原子核が見えてきます。

電子に比べ、陽子や中性子は3桁ほど重いため、原子のうち原子核が占める重さは99.97%になります。

この原子核の形状や結びつきの法則には、まだ多くの謎が隠されています。

水素や酸素といった元素の種類は原子核内の陽子の数で決まります。

原子核の陽子の数を原子番号と呼び、番号順に並べ、化学的性質の似たもの同士整理したものが、周期表と呼ばれるものです。

長い寿命を持ち、天然に存在する原子核を安定核と呼ぶのに対し、短い寿命を持つ原子核を特にRI（ラジオアイソトープ）と呼びます。

天然に存在する安定な原子核の陽子数と中性子数はほぼバランスをとっていますが、どれだけバランスが崩れた原子核が存在できるかは、陽子や中性子を結び付けている核力の性質と深く関連しています。

なお核力は、湯川秀樹氏が中間子論の発明により核力の記述に世界で初めて成功し、1949年にノーベル賞を受賞したことで有名です。

バランスが崩れた極限である「中性子だけで構成される原子核」が非常に短い期間でも存在できるか否かは、原子核研究における重要な課題で、60年以上前から興味が持たれていました。

単独の中性子は15分間で崩壊し、2個の中性子から成る中性子系も単独では存在しないことが分かっています。

そのため、3個以上の中性子だけでできた原子核が存在できるのかという問いは物理学の大問題でした。

●テトラ中性子核の生成に成功

これまでにもテトラ中性子核の観測例はいくつかあり、2015年には、最新の発表と同じく理化学研究所と東京大学の研究グループによって観測が報告されました。

当時の実験では、He8（陽子2、中性子6）のイオンビームをHe4（陽子2、中性子2）に衝突させ、結果的には陽子2個と中性子2個を交換することで、テトラ中性子核を生成しました。

この報告は、世界中の物理学者たちに大きな衝撃を与え、活発な議論が行われました。

しかし、テトラ中性子核と考えられる4つのエネルギー状態が観測され、またテトラ中性子核が安定した状態かどうかを決めるのには質量の精度が不足していたため、新たな実験データが必要とされました。

そして今回、別の手法でテトラ中性子核の生成、観測が行われました。

He4は非常に安定しているため、実は先ほども出てきたHe8核は、その中心にある安定したHe4核を、4つの中性子から成る「中性子ハロー」が取り囲む、という構図をしています。

今回の実験ではHe8核のうち、その中心にあるHe4核を陽子と正面衝突させ、それを取り巻くように分布している4個の中性子を散乱させずにHe4核のみを瞬間的に抜き取る反応が用いられました。

この反応はテーブルクロス引きに例えられています。

テーブルクロスをHe4核、その上の4つのグラスを4つの中性子から成る中性子ハローとしたとき、陽子によってクロスのみが引き抜かれ、テトラ中性子核を取り出せます。

また、得られたテトラ中性子核のエネルギー情報から、4個の中性子から構成される原子核は、完全に安定な状態というわけでなく、短時間だけの寿命を持つ準安定状態をとることが分かりました。

●中性子核研究の発展

今回の研究成果は、原子核、ひいては元素の安定性を決定づける「核力」のモデルを大きく変える可能性があり、さらには謎の多い超高密度天体である中性子星の構造の理解にもつながると期待されています。

中性子星は、地球の50万倍程度の質量を持ちながら、その半径が10km程度しかない超高密度天体です。

全質量の95%程度を中性子が担っており、巨大な原子核と見なされています。その構造には謎の部分が多く、内部は通常の原子核の数倍以上の高密度となっているようです。

中性子星の重さや大きさは、中性子物質の状態方程式によって決まり、2つの中性子間に働く2体核力だけでなく、3つ目の中性子の位置や状態を考慮した「3体核力」の知見が必要になります。

今後の研究から、原子核構造を特徴づける3体核力の強さと性質が決定づけられ、多数の中性子核が相互作用し合って形成されている中性子星の内部構造や形成過程の研究が発展するものと期待できます。