A novel projected shell model method for nuclear level density

あらゆる原子の核には、陽子と中性子が密集し、日常的な直感に反する力によって結びついた、活気に満ちた混沌とした世界が存在しています。星がどのように新しい元素を鍛造するか、あるいは原子炉がいかにして電力を生成するかを研究する科学者にとって、極めて重要な情報が必要とされています。それは、これらの微小な粒子が異なるエネルギー準位において、どれほど多くの異なる方法で配置され得るかという点です。「核レベル密度」として知られるこのカウントは、原子が衝突したりエネルギーを吸収したりする際にどのように振る舞うかを予測するための地図として機能します。正確な地図がなければ、宇宙の爆発に関する理解や、核廃棄物管理の安全性に関する理解は不完全なままとなります。数十年にわたり、研究者たちは直接的な測定が不可能な領域を埋めるために統計的な推測に頼ってきました。そこでは、エネルギーが上昇するにつれて、可能な配置の数は単に滑らかで予測可能な曲線を描いて増大していくものだと仮定されてきました。しかし、原子核の真の構造は単純な粒子のガスのようにはるかに複雑であり、これらの粒子がどのようにペアを組み、どのように解体されるかという詳細は、調査が困難な高エネルギー領域における謎のままでした。

上海交通大学と西南大学の研究チームは、特定の、よく研究されている原子であるジスプロシウム164に強力な新しい計算手法を適用することで、この謎の一層を剥ぎ取りました。これは重く安定した原子核であり、自然に歪んでおり、つまり完全な球体ではなくラグビーボールのような形をしています。科学者たちは「射影殻モデル」と呼ばれる手法を用いました。これは、原子核を滑らかな塊としてではなく、ペアを組んだり解体されたりすることができる個々の粒子の集合体として扱うものです。単純なペアから最大6つの解体されたペアを含む複雑なグループに至るまで、膨大な数の可能な配置のライブラリを構築することで、彼らはこれほど重い系に対して、以前は不可能であった精度で原子核のエネルギー状態を支配する方程式を解くことができました。彼らの成功の鍵は、物理学的な簡略化を行うことなく、これらの相互作用の膨大な複雑さを処理することを可能にしたコンピュータ・アルゴリズムの画期的な進歩にありました。

研究者たちが計算結果を既知の実験データと比較したところ、低いエネルギー準位においてその一致は驚くほど完璧であり、彼らの手法がラボですでに観察されていた粒子の特定の配置を正しく特定していることが確認されました。しかし、原子核が内部のペアを解体し始める高いエネルギー領域において、研究は全く新しい事実を明らかにしました。最初の粒子のペアが解体されると同時に、可能な状態の数が指数関数的に増加し始めるという長年の信念に反して、データはある明確な一時停止を示しました。2.3から4.0メガ電子ボルトのエネルギー範囲において、これらの状態の成長はプラトー（平坦な状態）へと変化し、滑らかな傾斜ではなく、階段状の構造を作り出しました。この平坦な領域は、原子核が最初のペアが解体された直後に構造を変えることに抵抗し、代わりに第2のペアが同時に解体されるのを待ってから、利用可能な状態の数が爆発的に増加することを示唆しています。

この発見は、ストレス下にある原子核がどのように振る舞うかという標準的な教科書的見解に異を唱えるものです。研究者たちは、状態の数の急激な跳ね上がりは緩やかには起こらず、代わりに中性子のペアと陽子のペアの両方が同時に解体されるまで遅延するということを発見しました。これにより、より複雑な構成が作り出されます。この遅延は、原子核が異常に安定する特定の「窓」となるエネルギー領域を作り出し、この特徴は、宇宙で重元素がどのように生成されるかを理解するために不可欠なプロセスである、原子が中性子を捕獲する確率の計算を大きく変える可能性があります。また、研究ではこれらの核状態の「スピン」、すなわち回転速度がどのように分布しているかも調査されました。古い理論では、この分布はすべての高エネルギーにおいて滑らかな釣鐘型の曲線に従うと示唆されていましたが、新しい計算によれば、このパターンは原子核が真にカオス的な状態に達したときに初めて現れることが示されました。その閾値以下では、分布は不規則であり、粒子のペアリングの具体的な方法に大きく依存しており、内部構造が最もエネルギーの高い瞬間においても明確な指紋を残していることを証明しています。

この研究の意義は、単にグラフ上の曲線を修正することにとどまりません。核の状態の成長が単純な連続的な上昇ではなく、明確なステップと一時停止によって特徴付けられることを示すことで、本研究は、核工学や天体物理学で使用されている現在のモデルが改訂を必要とする可能性があることを示唆しています。特定のエネルギー範囲において利用可能な状態の数が予想よりも少ない場合、核反応がどの程度の速さで起こるかの計算が変わり、星のライフサイクルから将来の医療用アイソトープの設計に至るまで、あらゆる予測に影響を与える可能性があります。研究者たちは単に新しい数値を見つけたのではありません。彼らは原子核が自らをどのように組織化するかという隠れたリズムを明らかにし、最も混沌とした環境においてさえ、自然が構造化されたステップバイステップの論理に従っていることを、今や明確に視覚化できる形で示したのです。