Singular observation of shape and spin hindrance in metastable nuclear decay of $^{197}$Au

あらゆる原子の核心には、プロトン（陽子）と中性子が密集した核が存在し、通常は予測可能な単純さを持って振る舞います。これらの原子核が励起されると、通常はその余剰エネルギーをほぼ瞬時に放出し、ほんの一瞬のうちに放出します。しかし、自然界は時として、稀な例外を生み出します。それが「核異性体」です。これは、原子核がエネルギーを保持したまま、驚くほど長い時間、その場に留まってしまう状態です。時には数秒、あるいは数年にも及ぶことがあります。この遅延は、原子核がその形状を変えたり、スピンを変えたりしたことで、より穏やかな状態に戻ることが非常に困難になったために起こります。科学者たちがこれらの執拗な状態を研究するのは、それらが物質の基本構成要素がどのように相互作用し、量子世界の規則がいかに物理的な宇宙を形作っているかを明らかにする、敏感なプローブ（探針）として機能するからです。

研究者たちは数十年にわたり、原子核が停滞する主な理由には2つあることを知っていました。一つは、原子核が物理的な形状を変える場合で、例えばボールがラグビーボールのように引き伸ばされるような現象です。このとき、元の形に戻るために必要なエネルギーが非常に高くなります。もう一つは、原子核が非常に速く、あるいは特定の方向に回転しているため、物理法則を破ることなしには容易に回転を緩めることができない場合です。これまで、これら2つの遅延の理由は、異なる種類の原子で起こる別々の現象であると考えられてきました。しかし現在、ある物理学者のチームが、これら両方の理由が単一の原子の中で同時に発生しているユニークな事例を発見しました。これは、原子核がどのように構築されているかという現在の理解に挑戦する、複雑なパズルとなっています。

研究者たちは金、具体的には安定同位体である金197に注目しました。金は身近な金属ですが、その原子核は高エネルギー粒子ビームを用いて励起状態へと導くことができます。イリノイ州にあるATLAS加速器で行われた実験では、重い原子のビームを厚い金の箔に照射し、金の原子核をこれらの高エネルギー状態へと揺さぶりました。その後、科学者たちは、原子核が最終的に緩和する際に放出される微かなガンマ線の信号を、非常に高感度な検出器を用いて待ち構えました。これらの信号を注意深く計時することで、彼らは金原子核の中に、これまで目撃されたことのない新しい長寿命の状態を特定することができました。

この新しく発見された状態は、2102キロ電子ボルトのエネルギー準位に位置し、角運動量の尺度である29/2のスピン値を持っています。この発見が驚くべき理由は、原子核がどのようにしてエネルギーを手放すかという決定プロセスにあります。原子核は単一の単純な経路を辿るのではなく、奇妙なジレンマに直面します。形状を変えることでエネルギーを放出できますが、このケースではそのプロセスが激しく阻害されています。同時に、回転を落とすことでエネルギーを放出することもできますが、これは通常、単一粒子に近い強さで進行するプロセスであるにもかかわらず、ここでは形状変化による阻害と競合しています。結果として、原子核はその崩壊を2つの競合する枝に分割することになります。一つは形状の変化によって強く妨げられ、もう一つは、このような異常なメカニズムの共存にもかかわらず、スピンに関連した経路を同程度の強度で辿るものです。

チームはこの状態の寿命を10秒以上と測定しましたが、これは核物理学の世界では永遠とも言える長さです。彼らは、原子核がより低いエネルギー準位へと落ちる際に、266.6キロ電子ボルトのエネルギーを持つガンマ線を放出することを観察しました。この特定の放出は、通常は非常に稀で遅い遷移の一種ですが、ここではほとんど完全に抑制されている形状変化を伴う、より弱い遷移と直接競合しています。この「阻害された形状変化」と「競合するスピン変化」の異常な共存は、長寿命の核状態においてこれまで観察されたことがありません。これは、金の原子核が2つの異なる構造的現実の間に挟まれ、どちらにも完全にはコミットできない状態にあることを示唆しています。

なぜこのようなことが起きているのかを理解するために、科学者たちは2つの異なる核構造モデルを用いて詳細なコンピュータ・シミュレーションを行いました。一つのモデルは原子核を変形した回転物体として扱い、もう一つのモデルは内部の個々の粒子に着目しました。両方のモデルは、原子核が中程度の扁平な形状を持っているという点で一致しましたが、同時に矛盾も明らかにしました。計算によれば、形状変化を伴う遷移は観測されたものよりもはるかに強力であるはずですが、スピンに関連する遷移はデータとより良く一致しました。この不一致は、単純なモデルが、この特定の状態における形状と個々の粒子の混合方法について、何か重要なことを見落としていることを示しています。この結果は、安定しておりよく理解されているはずの周期表の領域の近くであっても、原子核の振る舞いはこれまで考えられていたよりもはるかに複雑になり得ることを示唆しています。

この発見は、科学者が原子の内部生活をどのように記述するかという再評価を迫る重要なものです。現在の理論では、原子核の集団的な形状と個々の粒子の振る舞いは、しばしば別々の物語として扱われます。しかし、金197の異性体は、これら2つの物語が深く絡み合っていることを示しています。すなわち、形状が崩壊を阻害する一方で、スピンに関連した遷移が単一粒子に近い強さで進行するというのです。これは現代の理論をテストするためのユニークなベンチマークとなります。なぜなら、成功するモデルは、これら2種類の異なる抵抗が単一の原子の中でどのように共に作用しているかを説明できなければならないからです。この発見は、単に核状態のリストに新しい項目を加えただけではありません。それは、原子核の集容的な運動と、その構成要素の量子力学との間の複雑な相互作用への窓を開くものであり、馴染み深い金の領域においてさえ、依然として解明されるべき深い謎が待ち受けていることを証明しています。