Contribution of incomplete fusion to the evaporation residue cross sections in the SiW reaction
本研究は、二核子系モデルを用いることで、Si+W反応において、より低いエネルギーでは完全融合が蒸発残留物形成を支配する一方で、より高いエネルギー（ MeV）では粒子放出を伴う不完全融合がRn同位体の主要な起源となることを示し、それによって測定された全蒸発残留物断面積を成功裏に説明している。
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陽子と中性子から物質が構成されている亜原子の世界において、科学者たちはしばしば、2つの軽い原子核を猛烈な速度で衝突させることで、より重い元素を合成しようと試みています。これら2つの原子核が衝突すると、それらは結合して、単一の、より大きく、かつ高度に励起された「複合原子核」を形成することがあります。この新しい、不安定な巨体は、中性子やアルファ粒子のような微小な粒子を放出することで冷却され、最終的に新しい重元素へと落ち着きます。しかし、このプロセスは困難に満ちています。多くの場合、1つに融合する代わりに、衝突する2つの原子核は互いに掠め合ったり、完全に合体する前に2つの異なる断片へと分裂したりしてしまいます。この融合の失敗は、宇宙で最も重い元素を創り出すという探求における大きな障害となっています。
なぜこれらの衝突が成功し、あるいは失敗するのかを理解するために、研究者たちは関与する原子核の形状と向きに着目します。多くの原子核は完全な球体ではなく、パンケーキのように平らであったり、ラグビーボールのように引き伸ばされていたりします。これら奇妙な形状を持つ原子核が衝突する場合、どの角度で衝突するかが極めて重要になります。さらに、非常に高い速度では、原子核は単に2つの等しい半分に分かれるだけでなく、アルファ粒子のような小さな破片を脱ぎ捨て、その残りの部分がターゲットと融合することもあります。不完全融合として知られるこの現象は、標準的な完全融合プロセスとは異なる一連の重元素を生み出します。これら異なる結果の間のバランスを理解することは、どの重元素が作られ得るか、そしてそれらがどれほど生産されるかを予測する上で極めて重要です。
研究チームは最近、シリコン30とタングステン186の特定の衝突を詳細に調査し、これら異なる融合の経路がどのように展開するかを検討しました。彼らは、衝突する原子核を一時的な「踊るパートナー」として扱う洗練されたコンピュータモデルを使用し、これら2つの原子が衝突した際に何が起こるかをシミュレーションしました。彼らの目的は、核が完全に結合する頻度、分裂する頻度、そして本体が合体する前に小さな破片が脱ぎ捨てられる不完全融合が起こる頻度を算出することでした。彼らは、これら原子核の核を強制的に結合させるために必要な強烈なエネルギーを示すスケールである、1億760万から1億7220万電子ボルトの範囲の衝突エネルギーに焦点を当てました。
研究者たちは、望ましい重い残留物を生成する主要な方法は、2つの原子核がラジウム216と呼ばれる単一のユニットへと融合する完全融合であることを発見しました。しかし、衝突エネルギーが約128 MeVを超えて上昇すると、物語は劇的に変化します。この高エネルギー領域では、不完全融合プロセスが最終的な重元素の主要な供給源となります。このシナリオでは、衝突する系がアルファ粒子を放出するように分裂し、その結果、ラドン212と呼ばれるわずかに軽い原子核を残します。研究によれば、このエネルギー閾値を超えると、不完全融合によって生成されたこれらのラドン同位体が、観察されるすべての重い残留物の半分以上を占めることになります。
この優位性の転換は、実験データにおける長年の謎を解明しています。科学者がこれらの衝突で生成される重い物質の総量を測定する際、エネルギーが非常に高くなると、予想されるよりも減少の仕方が緩やかになります。もし完全融合プロセスのみが働いているのであれば、エネルギーの上昇に伴いラジウム同位体の生成量は10分の1に激減するはずです。しかし、総収量は比較的安定しています。研究者たちの計算によれば、不完全融合のチャネルがこのギャップを埋めているのです。ラジウムの生成が急激に減少する一方で、不完全融合によるラドンの生成が増加して補うことで、重い残留物の総数が崩壊するのを防いでいるのです。
また、本研究は生成される粒子の性質についても明らかにしました。研究者たちは、重いラドン同位体、特にラドン212およびラドン211が、これらのエネルギーにおいて標準的な完全融合ルートを通じて形成されることは事実上不可能であると算出しました。融合した核からアルファ粒子を脱ぎ捨てるために必要なエネルギーは、あまりにも高すぎるのです。むしろ、これらの特定の同位体は、ほぼ排他的に不完全融合プロセスの結果であり、衝突の早い段階でアルファ粒子が脱ぎ捨てられ、より「冷たく」安定したラドン核が残されることによって生じます。この区別は非常に明確であり、実験においてこれらの特定のラドン同位体を検出することは、不完全融合が起こっていることを示す明確なシグネチャー（証拠）となります。
研究者たちがシミュレーション結果を実際の実験データと比較したところ、全体的な傾向において強い一致が見られました。このモデルは、完全融合のみに焦点を当てた従来のモデルでは説明できなかった、高エネルギーにおける重元素の総収量の緩やかな減少をうまく再現しました。最も効果的な衝突角度のみを考慮した場合の、核が完全に融合する確率は約0.75であることが判明しました。これは、以前の実験比較から導き出された0وا 57よりもわずかに高い値であり、理論モデルが衝突の物理学を高い精度で捉えていることを示唆しています。この研究は、不完全融合が単なる副次的な影響ではなく、特定の反応における重元素形成の主要なプレイヤーであり、実験室で何が創り出せるかという展望を根本的に形作っていることを裏付けています。
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