最先端宇宙観測技術で視る原子核の姿

　理化学研究所（理研）開拓研究本部上野核分光研究室の郷慎太郎研究員、上野秀樹主任研究員、仁科加速器科学研究センター宇宙放射線研究室の米田浩基基礎科学特別研究員（研究当時）、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（WPI-Kavli IPMU）の都築豊大学院生（研究当時）、高橋忠幸教授、九州大学大学院理学研究院の市川雄一准教授、東京都市大学理工学部の西村太樹准教授らの共同研究グループは、宇宙観測技術をベースとした多層半導体コンプトンカメラ[1]を用い、原子核から放出される光（ガンマ線）の偏光[2]を捉え、原子核の内部構造を明らかにできることを示しました。
　本研究成果は、希少な不安定核[3]における原子核の魔法数[4]の消失過程など、宇宙の成立や物質の性質の理解の基礎的知見を深めることに寄与すると期待されます。
　本研究では、原子核の内部構造を調べるため、多層半導体コンプトンカメラの光に対する高い位置決定精度と検出効率に着目しました。宇宙観測分野では、宇宙空間の全方向から飛来する光を調べます。一方、加速器を用いた地上での原子核の分光実験では、放出されるガンマ線の放射位置と強度を人工的に制御することが可能です。ガンマ線の入射方向を決めた上でその散乱事象を詳細に分析できることから、高感度な偏光測定が実現できると考えました。
　そこで、原子核実験と宇宙観測の研究者がタッグを組み、本装置を活用した56Fe原子核の励起状態から放出されるガンマ線の偏光測定を実施しました。その結果、偏光の測定を実証したばかりでなく、その測定の感度は非常に高く、高い検出効率を兼ね備えた革新的な手法であることが分かりました。
　本研究は、科学雑誌『Scientific Reports』オンライン版（2月9日付：日本時間2月9日）に掲載されました。

[1] コンプトンカメラ
物質中に入ったガンマ線のうち、コンプトン散乱と呼ばれる、光が電子と衝突し、元の振動数より小さな振動数をもって散乱する現象を観測し、ガンマ線の到来方向を限定することのできる装置。複数の入射ガンマ線のイベントを解析することによって、放射線源を「撮影」することができる。
[2] 偏光
光や電磁波は電場・磁場が進行方向に対し直行しつつ振動し伝わる波である。ここでの偏光は直線偏光を指し、進行方向に対し常に同一の方向で電場と磁場が振動を繰り返す。
[3] 不安定核
陽子もしくは中性子のどちらかが安定核に比べて過剰な原子核。短寿命で放射性崩壊を起こすことによって、安定な原子核に変化する。
[4] 魔法数
原子核は殻構造を持ち、特定の陽子数・中性子数（魔法数）を満たすときに閉殻構造となり、安定化することが知られている。近年の不安定核の研究では、この魔法数が消失し、新たな魔法数によって安定化することが分かってきた。 

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雑誌：Scientific Reports
タイトル：Demonstration of nuclear gamma-ray polarimetry based on a multi-layer CdTe Compton Camera
著者名：S. Go, Y. Tsuzuki, H. Yoneda, Y. Ichikawa, T. Ikeda, N. Imai, K. Imamura, M.Niikura, D. Nishimura, R. Mizuno, S. Takeda, H. Ueno, S. Watanabe, T. Y. Saito,S. Shimoura, S. Sugawara, A. Takamine, and T. Takahashi
DOI：10.1038/s41598-024-52692-2

理学研究院　市川 雄一　准教授