Development of the {\gamma} strength function with the neutron number

あらゆる原子の核の中では、陽子と中性子が密集した混沌とした群衆の中で互いに寄り添っています。これらの原子核が、衝突や放射性崩壊などによって励起されると、それらは単に静止しているわけではありません。彼らは余剰なエネルギーを放出することで、ガンマ線と呼ばれる閃光を放ちます。科学者たちは、原子核がこのような光をどのように吸収するかを長年研究してきました。そのプロセスは、陽子と中性子が二つの反対方向の流体のように互いに揺れ動く「巨大双極共鳴」として知られる、大規模で集団的な振動によって支配されています。しかし、その逆のプロセス、すなわち高エネルギー状態から冷却される際に原子核がどのようにエネルギーを放出するかという点は、より捉えがたい謎として残されてきました。数十年にわたり、支配的な考え方として、原子核が光を放出する方法は、原子核が元々どれほど励起されていたかに関わらず、光自体のエネルギーのみに依存するというものがありました。ブリンク・アクセル仮説として知られるこの仮定は、最近の観測によって驚くべき展開が明らかになるまで、正しいと思われてきました。すなわち、非常に低いエネルギーにおいて、原子核は予想を遥かに上回る量のガンマ線を放出するという現象が、従来のルールを覆したのです。

研究チームは、モリブデン、鉄、スズ、ゲルマニウム、ガドリニウムを含む幅広い元素の原子核の詳細なコンピュータモデルを構築することで、この予期せぬ低エネルギー光放出の急増を理解しようと試みました。彼らは、原子核を球体として扱う伝統的な手法と、楕円形や三軸形状に引き伸ばされた原子核を考慮する、より複雑で新しいアプローチという、二つの異なる理論的枠組みを用いて、これらの原子核の挙動をシミュレートしました。シミュレートされた原子核内のエネルギー状態間の数百万もの可能な遷移を計算することで、チームは放出されるガンマ線の強さが、光のエネルギーの変化に伴ってどのように変化するかを正確に描き出しました。彼らの研究は、この光の放出の挙動がランダムではなく、原子核の形状と中性子の数によって決定される明確なパターンに従っていることを明らかにしています。

研究者たちは、ほぼ球形に近い原子核においては、ガンマ線の放出が非常に低いエネルギーにおける単一の鋭い強度のスパイクによって支配されていることを見出しました。彼らはこれを「低エネルギー磁気放射（LEMAR）」と呼んでいます。これは、エネルギーが増加するにつれて指数関数的に減衰する、磁気的な光の突然のバーストとして現れます。しかし、原子核がより変形し、ラグビーボールのような形に引き伸ばされるにつれて、低エネルギーのスパイクの傍らに第二の特徴が出現します。この新しい特徴は、300万電子ボルト付近に中心を持つ広範な強度の隆起であり、これは「シザース共鳴（はさみ共鳴）」と呼ばれるよく知られた現象に対応しています。この状態では、陽子と中性子が、はさみの開閉に似た動きで互いに振動します。研究によれば、原子核の変形が進むにつれて、単一の低エネルギー・スパイクが消失するのではなく、むしろこれがシザース共鳴と共存し、二つの明確な活動のピークを持つバイモーダル（二峰性）なプロファイルを作り出すことが示されています。

この単一ピークから二重ピークへの移行は、原子核の内部構造によって駆動されています。球形の原子核では、粒子のエネルギー準位がこのようにグループ化されているため、単純で統一された低エネルギー遷移が可能になります。しかし、原子核が変形すると、これらのエネルギーグループは、まるで単一の光線がプリズムを通過する際に色のスペクトルへと分かれるように、分裂します。この分裂が、複雑な遷移の網目を作り出します。低エネルギーのスパイクは、これら分裂した状態の混沌とした混合から生じ、一方でシザース共鳴の隆起は、原子核が変形したときにのみ可能となる特定の種類の集団運動から生じます。研究者たちは、このパターンが異なる元素間でも成立していることを観察しました。すなわち、より軽い鉄やモリブデンの同位体において、単一のスパイクから二重ピークへの移行は、中性子の数とそれに伴う原子核の形状と直接的に相関しているのです。

チームはまた、原子核の混沌とした性質がこれらの放出にどのように影響するかについても調査しました。彼らは、低エネルギー・スパイクが特定の減衰率を特徴としており、それが基礎となる状態が非常に複雑で無秩序であることを示唆していることを見出しました。これは、情報のスクランブル（混乱）が起きているシステムにおけるものと同様です。この混沌は、利用可能なエネルギー状態の数を示す原子核の全体的な温度とは異なります。彼らが研究したほとんどの原子核において、光の放出の混沌とした減衰を記述するパラメータは、原子核の熱力学的温度よりも著しく低かった。これは、低エネルギーの光を駆動するメカニズムが、粒子の一般的な熱的攪乱とは異なる、独自の形態の無秩序であることを示しています。

最も重要な発見の一つは、原子核の形状と、それが放出する全光量の関係に関するものです。研究者たちは、原子核の形状が変化しても、磁気放射の総強度は比較的一定に保たれるものの、その強度の分布は劇的に変化することを発見しました。球形の原子核では、強度のほとんどが低エネルギー・スパイクに集中しています。原子核が変形するにつれて、その強度の一部がより高いエネルギーのシザース共鳴の隆起へと移動し、その結果、低エネルギー・スパイクはいくらか弱まりますが、依然として存在し続けます。この再分配は、なぜ一部の原子核が他のものと比較して低エネルギーの光が「欠けている」ように見えるのかを説明しています。光が消えたのではなく、単に異なるエネルギー範囲へと移動したのです。

本研究は、これらのモデルの限界についても触れています。陽子数と中性子数がほぼ等しい原子核では、「アイソスピン」と呼ばれる性質の保存により、低エネルギー光の放出が強く抑制されます。アイソスピンは、これら二種類の粒子の間の、ある種の内部的なバランスとして機能します。これらの特定のケースでは、期待される低エネルギー・スパイクは現れず、平坦で弱い領域に置き換わります。さらに、コンピュータ・シミュレーションは実験で見られる一般的な傾向を再現することには成功しましたが、放出される光の総量を過小評価する場合もあり、これはモデルが強力である一方で、粒子間のより微細な相互作用を依然として捉えきれていない可能性を示唆しています。

結局のところ、この研究は、原子核がいかにしてエネルギーを放出するかについての統一的なイメージを提供しています。それは、ガンマ線の放出が静的なプロセスではなく、原子核の形状や組成とともに進化するプロセスであることを裏付けています。球形原子核における単純な単一ピーク放出から、変形した原子核における複雑な二峰構造への移行は、エネルギー準位の分裂と粒子の状態の混沌とした混合によって駆動される、原子核物理学における堅牢な特徴です。これらのメカニズムを解明することで、研究者たちは量子世界へのより鮮明な窓を提供し、陽子と中性子の集団的なダンスが、原子核の核から脱出するまさにその光をどのように決定しているかを示したのです。