原子核が特異な量子ガス状態になることを予言～アルファクラスターによるボーズ・アインシュタイン凝縮現象の解明に向けて～

【研究手法と成果】
　最新のアルファクラスター模型である東崎-堀内-シュック-レプケ(THSR)模型を20Ne原子核に適用し数値シミュレーションを行いました。これは核子20体系の問題をアルファクラスターの自由度を考慮しつつ量子力学的に解くもので、20Neの様々な量子準位のエネルギーや波動関数を与える方法です。
図3に、数値シミュレーションの結果得られたエネルギー準位を実験データと比較したものを示しました。励起エネルギー19.5 MeVで20Neは5つのアルファクラスターに分解しますが、そのしきいエネルギーを基準(0にとる)として示してあります。実験で観測されている下側の2つの準位に対応する状態として、スピン0、正パリティの、0I+、0II+と示した2つの状態が得られました。
また、得られた量子状態の波動関数を解析した結果、これらの状態(0I+、0II+)は、16O原子核の4アルファ凝縮状態(06+状態)にアルファクラスターがくっ付いた構造成分を極めて大きく持っていることが分かりました(図4の赤色のバー)。これらが5アルファ凝縮状態となっている強い証拠となります。図3では、0I+状態、0II+状態の他に、基底状態に対しても同様の計算を行った結果を示していますが、0I+状態、0II+状態とは全く異なった分布を持っていることが分かります。また、0II+状態は、５アルファ凝縮構造から、1つのアルファクラスターがエネルギーのより高い軌道に遷移した状態となっていることが示されました。
更に、アルファクラスターを1つ放出して16O原子核へと崩壊する際の崩壊チャンネルについても調べました。実験では、16O原子核の4アルファ凝縮状態(06+)への崩壊過程がメインチャンネルとなることが観測されていますが、理論計算によっても見事に再現されました。これにより、観測されていた不思議な崩壊過程を持つ状態が、理論模型の示すような、５つのアルファクラスターがガス的に配位し、アルファ凝縮した構造を持った状態である強い証拠が得られました。


【今後の期待】
　12C原子核、16O原子核でその存在が議論されてきたアルファ凝縮状態ですが、今回20Neにおいてもその存在を示す強い理論的証拠が示されました。これは原子核においてアルファ凝縮状態が普遍的に存在することを強く示唆しており、原子核物質の存在形態に対する認識を大いに深めるものです。また、中性子星表面のような原子核物質における低密度領域の状態方程式に対する知見の深化にも大いに貢献するものと考えられます。