The effect of the coupling between the neutron multiplicity and the fission competition on the evaporation residue cross sections of the CaPu reaction
本研究は、従来の因数分解アプローチとは異なり、中性子多重放出と核分裂競争を結合させた取り扱いが、Ca+Pu反応、特に3nチャネルにおける生存確率の予測精度を大幅に向上させること、また、蒸発残留物断面積が核分裂障壁の高さの微小な変化に対して極めて高い感度を持つことを明らかにしている。
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物質の極限を理解しようとする探求の中で、原子核物理学者は、可能な限り重い原子を構築するために絶えず努力を続けている。これらの超重元素は自然界には存在せず、実験室において、二つの軽い原子核を驚異的な速度で衝突させることによって作られなければならない。これらが衝突すると、時として一つの、巨大で、かつ高度に励起された原子核へと融合する。この新しい生成物は不安定であり、テーブルの上でよろめく独楽（こま）のように、速やかに冷却されなければ生き残ることができない。それは、余剰なエネルギーを放出するために、中性子という微小な粒子を射出することによって冷却される。もし分裂することなく冷却に成功すれば、それは新たな、より重い元素となる。しかし、これが起こる確率は極めて低い。原子核は、中性を放出することで冷却しようとする欲求と、二つに分裂してしまうという圧倒的な衝動との間の戦いに常に直面している。この「核分裂」と呼ばれるプロセスである。新しい元素を創り出すか、あるいは一瞬で消滅させてしまうかの違いは、しばしば、一秒に満たないわずかな時間と、ごく微量のエネルギーにかかっている。
ウズベキスタンの研究チームは、この冷却の戦いがどのように展開するかについて、特にフレロビウムの同位体を生成する反応に焦点を当てて、新たな視点を提示した。彼らは、プルトニウム244の標的にカルシウム48のビームを衝突させるという特定の衝突に注目した。この反応は、現在科学者が超重原子核を作るために用いる最も信頼できる方法の一つであるが、これらの新しい原子が正確にいくつ生成されるかを予測することは、依然として困難な課題であった。研究者たちは、数十年にわたり科学者がこれらの確率を計算してきた標準的な手法には、パズルの重要なピースが欠けていることを発見した。冷却プロセスをモデル化する方法を変更することで、彼らは、従来の方法が特定の条件下における生存の可能性を著しく過小評価していたことを発見し、中子の放出数と原子核が分裂するリスクとの関係が、これまで考えられていたよりもはるかに密接に関連していることを明らかにした。
この研究は、超重原子核の生涯における特定の瞬間を中心としている。カルシウムとプルトニウムが衝突して融合した後、生成された原子核は熱く、回転している。それは生き残るためにエネルギーを放出しなければならない。それは中性を一つずつ放出することによって行う。この冷却プロセスのあらゆる段階において、原子核はある選択を迫られる。すなわち、もう一つの中子を放出して次のステップへと進み、生き延びるか、あるいは分裂して死ぬかである。過去において、科学者たちはこれら二つの選択肢を別々のイベントとして扱うことで、この生存確率を計算してきた。彼らはまず、原子核が平均的にどれくらいの中子を捨てるかを推定し、次に、その平均的な経路に沿って分裂する確率を個別に計算していた。それは、原子核が単一の予測可能な軌道を辿ると仮定した手法であった。
この新しい研究は、その分離に異議を唱えるものである。著者らは、原子核は単一の平均的な軌道を辿るのではないと主張している。実際には、すべての原子核はそれぞれ独自の経路を辿り、異なるタイミングで異なる量のエネルギーを失うのである。エネルギーを素早く失い、早期に冷えるものもあれば、より長く熱い状態を維持するものもある。分裂のリスクは、原子核が熱い時に最も高くなる。したがって、数個の中子を放出するまで生き残る原子核は、「平均的な」熱い原子核ではなく、平均よりも冷たかった幸運な原子核なのである。中子の数と分裂のリスクを独立したものとして扱うことで、従来の手法はこの微妙なフィルタリング効果を見逃していた。従来の手法は、生存者が平均と同じくらい熱い状態にあると仮定していたが、実際には、生存者はより冷たい、幸運な者たちであったのである。
この概念を検証するために、研究者たちは、平均的な原子核だけでなく、集団全体を追跡する新しいコンピュータモデルを構築した。彼らは衝突をシミュレートし、数千の個別の原子核の冷却過程を追跡し、それぞれの原子核が中子を放出するか分裂するかについての判断を下せるようにした。この「結合された（coupled）」アプローチにより、中子の放出数と核分裂との競合は、各原子核のその瞬間における実際のエネルギーに基づいて同時に決定されることとなった。結果は驚くべきものであった。彼らが研究した特定の反応において、新しい手法は、特定の種類（三つの中子を放出することによって形成される）のフレロビウム原子が生成される確率は、従来の方法の予測よりもはるかに高いことを示した。特定のエネルギーレベルにおいて、新しい計算による生存確率は、伝統的な推定値よりも17倍から24倍も大きかった。
この巨大な差は、生成された原子の総数が間違っていたという意味ではなく、むしろ、異なる種類の原子の分布が間違っていたという意味である。従来の手法は、単に少しずれていたのではなく、異なる結果の相対的な強さを誤認していた。それは、三つの中子が放出される結果の可能性を過小評価する一方で、四つの中子が放出される結果への影響ははるかに小さかった。これは、冷却と分裂の間の結合こそが、なぜある反応が特定の同位体をより多く生成するのかを理解するための鍵であることを示唆している。また、研究者たちは、原子核を繋ぎ止めるエネルギー障壁の正確な高さが極めて重要であることも発見した。彼らは、一百万電子ボルトにも満たない（原子核の世界では極めて微量な）差がある二つの異なるエネルギー障壁の計算方法をテストした。しかし、この極めて小さな差が、予測される生存確率を10倍以上も変化させた。これは、冷却プロセスを追跡する新しい手法が大きな改善である一方で、最大の残された不確実性は、これらの超重原子核を結合させている力の正確な強さにあることを浮き彫りにしている。
チームは、新しい計算結果を、ロシア、ドイツ、および米国の研究所で過去20年間に収集された実際の実験データと比較した。冷却と分裂の連結性を考慮に入れた彼らの新しいモデルは、14個の測定データポイントのうち8個を、誤差因子2以内で再現することに成功した。このような複雑なシステムにおいて、これは精度の大幅な向上である。モデルは依然として、エネルギー曲線の立ち上がり部分や非常に高いエネルギー領域でのデータとの完全な一致には苦戦したが、従来の試みよりもはるかに明確なプロセス像を提供した。この研究は、超重元素の生成を真に予測するためには、冷却プロセスを単純な線形平均として扱うのではなく、個々の原子核の複雑な旅を考慮に入れなければならないことを示している。
最終的に、この研究は単に数値を精緻化しただけではない。それは、メカニズムそのものの理解を変えるものである。それは、超重原子核の生存とは、単なる平均的な経路に適用される統計の問題ではなく、生存者が元の集団の中から選ばれた、特定の、より冷たいサブセットであるという、複雑なフィルタリング・プロセスであることを示している。研究者らは、新しい手法は強力なツールではあるものの、今後の進展には核力のより精密な知識が必要であると結論づけている。核分裂障壁の正確な強さがより確実に判明しない限り、どれほど洗練されたコンピュータモデルを用いたとしても、新しい元素がどれほど生成されるかの予測には限界が残る。この研究は、亜原子の世界においては、物事がどのように起こるかという詳細が、最終的な結果と同じくらい重要であることを改めて思い起こさせるものである。
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