Large Amplitude Collective Motion and Dissipation in the Ground State and the First Isomeric Wells in the Neutron-Induced Fission of $^{235}$U

壮大な原子のシャッフル

宇宙を、小さな粒子が絶えずぶつかり合っている巨大で混沌としたダンスフロアだと想像してみてください。核物理学として知られるこのダンスフロアの片隅では、科学者たちが非常に特殊で、極めて重要な動きである「核分裂」を理解しようとしています。これは、水が詰まったぐにゃぐにゃの風船のような重い原子核が、小さな粒子（中性子）に打たれ、最終的に2つの小さな破片に分かれる現象です。数十年にわたり、物理学者たちは風船が実際に割れる瞬間、つまり分裂そのものに執着してきました。なぜなら、その瞬間にエネルギーが放出され、新しい破片が誕生するからです。

しかし、ポップ（破裂）が起こる前には、長く謎めいた待ち時間があります。ウラン原子に中性子が衝突すると、その結果生じる超重い原子核は、すぐには分裂しません。それは安定性の「谷」に捕まり、バラバラになるための勇気をようやく集めるまで、長い間、中で跳ね回り続けます。これは、ボウルの中に置かれたビー玉のようなものです。ビー玉は、脱出するための小さな隙間を見つけるまで、長い間カタカタと音を立てているかもしれません。このビー玉がボウルの中でカタカタと音を立てている間に何が起きているのかを理解することは極めて重要です。なぜなら、それが分裂全体の舞台を設定するからです。もし、核が待機している間にどのように振る舞うのかが分からなければ、どのように分裂を決意するのか、あるいはどのような破片を生み出すのかを完全に理解することはできません。

ビー玉のカタカタ：待合室の中

この新しい研究は、核分裂のこの「待合室」の段階、具体的にはウラン236原子核（ウラン235に中性子が衝突して形成されるもの）を深く掘り下げています。研究者たちは、時間依存密度汎関数理論（TDDFT）と呼ばれる強力なコンピュータ・シミュレーションを使用して、この原子核が2つの異なる「ボウル」またはエネルギーの井戸、すなわち深い安定した基底状態の井戸と、より浅い励起された「アイソマー（異性体）」の井戸の中でどのように振る舞うかを観察しました。

結果は、原子核が信じられないほど落ち着きがないことを示しています。深い基底状態の井戸では、原子核は初期の動きをすぐに忘れてしまう、熱狂的なダンサーのように振る舞います。原子核がどのように始まったとしても――それが少し押しつぶされていたとしても、あるいは引き伸ばされていたとしても――それは急速に落ち着き、中心の安定した位置へと収まります。原子核の「形」は混沌としたものになりますが、一定のリズムへと落ち着きます。そして、どのように打たれたかという初期の記憶はすぐに消し去られます。それはまるで、原子核が「どうやってここに来たかなんて関係ない。準備ができるまで中心で振動していよう」と言っているかのようです。

物語は、より浅いボウルであるアイソマーの井戸では全く異なります。ここでは、原子核はただ落ち着くだけではなく、揺れ始めます。もし原子核が特定の「偏り」（具体的には大きな八重極変形）を持ってこの井戸に入った場合、それは非常にリズムよく、まるで音楽的な方法で前後に振動し始めます。形を忘れるのではなく、特定の非対称性を保持し、振り子のように揺れ動くのです。これは驚くべき発見です。基底状態が過去をすぐに忘れる一方で、アイソマーの井戸は特定の「記憶」を長い間保持することができ、約960フェムト秒（0.00000000000000096秒）の周期で揺れ動きます。

この研究はまた、この待ち時間が熱く、乱雑な出来事であることも明らかにしています。原子核は絶えずエネルギーを失っており、そのプロセスである「散逸」が、組織化された運動を熱へと変えてしまいます。それは、回転する独楽（こま）がテーブルに擦れて減速し、熱くなっていくようなものです。この強い散逸があるため、原子核がこれらの井戸の中にいる間に（自発的核分裂で見られるような）量子的なトリックである「トンネル効果」によって障壁を通り抜ける可能性は低く、再び試みるために外側の端に到達するまで待たなければなりません。さらに、シミュレーションによ征すると、時折、原子核は振られたソーダ缶が泡を放出するように、数個の中性子を吐き出します。これはおそらく、原子核が自身の動く壁にぶつかることによって起こります。

研究者たちは、核がこれらの初期段階でどのように振る舞うかは、ランダムな混沌ではなく、特定のルールに従っていることを見出しました。基底状態においては、それはすぐに平均化される混沌としたシャッフルです。アイソマーの井戸においては、それは長い間続く調和のとれた揺れです。この違いは非常に重要です。なぜなら、分裂した破片の最終的な形（等分か不等分か）は、そのアイソマーの井戸でどれだけ揺れるかによって決定される可能性があることを示唆しているからです。もし揺れが十分に大きければ、不均等な分裂につながり、そうでなければ、分裂は均等になる可能性があります。

結局のところ、この論文は核分裂の謎のすべてを解明したと主張しているわけではありません。これらは「平均場」のアプローチに基づいたシミュレーションであり、量子世界の簡略化された見方であることを明示的に述べています。著者らは、完全で完璧な記述には、まだモデル化できていない、より複雑な量子効果を含める必要があることを認めています。しかし、これら2つの初期段階を個別にシミュレートすることで、彼らは核が分裂を待っている間にどのように振る舞うかについて、初めての微視的な視点を提供しました。彼らは、原子核が単に分裂を待っている受動的な乗客ではなく、分裂の結果を決定する上で重要な役割を果たす、能動的で、散逸し、時にはリズムを刻むシステムであることを示したのです。