元素は何でできているのか？ナトリウムのフランケンシュタインがヒントを掴む

数年前、物理学者グループが、これまで見たことのない珍しい素粒子を作り出しました。日本の研究機関、理化学研究所の粒子加速器を用いて、カルシウム原子核の流れを金属円盤に何時間も繰り返し衝突させました。そして、衝突後の粒子を精査した結果、彼らは念願の粒子を発見しました。そして、その粒子を「ナトリウム」と名付けました。

そうです、ナトリウムです。馴染みのある名前に惑わされないでください。普通の食卓塩には決してこの物質は見つかりません。地球上のナトリウムのほとんどはナトリウム23です。この数字は、原子核を構成する11個の陽子と12個の中性子を表しています。しかし、この23個の粒子が、ナトリウムになり得る、あるいはなり得るもの全てを網羅しているわけではありません。厳密に言えば、陽子が11個ある原子核はすべてナトリウムです。周期表は元素を原子核内の陽子の数で並べており、ナトリウムは11番目の元素です。これは、粒子が内部に抱える中性子の数については全く言及していません。

日本の物理学者たちが作り出したのは、フランケンナトリウムとも言うべき、陽子11個、しかもその核になんと28個の中性子が詰め込まれた粒子でした。このナトリウム39は、これまで知られているナトリウムの同位体の中で最も質量の大きい同位体でした。

たった一つのナトリウム39を生成するのに、8時間と数百京回（10の^17乗）の衝突が必要でした。そして、それはほぼ瞬時に崩壊しました。「これらの同位体の生成速度は非常に小さいのです」と、理化学研究所の物理学者、久保敏之氏は認めています。

しかし、この標本は目的を果たした。ナトリウムの可能性についての新記録を樹立したのだ。これは、一部の科学者の長年の探求であった。物理学者たちは数十年にわたって、水素、ヘリウム、リチウムなど周期表を順にたどり、物理法則が許す限り各元素の最も重い同位体を見つけようとしてきた。理化学研究所の物理学者らは、今週月曜日にPhysical Review Letters誌に発表した論文で、フッ素原子核の中性子の限界は22個で、ネオン原子核は最大24個であることを明らかにした。ナトリウムの限界はまだ定かではないが、この実験から、少なくとも28個であると思われる。物理学者たちはこの限界を「中性子ドリップライン」と呼んでいる。原子核の限界を押し上げようとして、さらに中性子を追加しようとすると、その中性子は何の抵抗もなく滑り落ちてしまうからである。

フッ素とネオンの原子核の限界を確認するのに約20年かかったのは、実験が非常に困難だったからだ、とミシガン州立大学の物理学者アルテミス・スパイロウ氏は語る。スパイロウ氏はこの研究には関わっていない。ある粒子がその種の中で最も重いことを証明するには、単にそれを作るだけでは不十分だ。それより重い粒子が存在しないことを示す必要がある。「そこが難しいんです」とスパイロウ氏は言う。「もしそれが見えないとしたら、それは存在しないからでしょうか？それとも実験が不十分だったからでしょうか？」

久保氏とチームはこの任務のために何年も準備を重ねた。加速器の出力を増強する必要があった。久保氏はまた、磁石を使って原子核を分離する、サッカー場とほぼ同じ長さの高度な粒子フィルターも構築した。そして、中性子数が22のフッ素31が最も重いフッ素であることを示すため、理論モデルではフッ素32とフッ素33が生成されるはずの粒子衝突を実施した。これらの重いフッ素が観測されなかったため、フッ素31が優勢になることをほぼ確実に確認できた（ネオン34も同様の手順で優勢となった）。チームはこれらの公式発表を軽々しく行ったわけではない。今週発表するまでに、約5年間にわたって結果を分析したのだ。

「彼らが作ったフッ素31の量は、目が飛び出るほどでした」と、テネシー大学の物理学者ケイト・ジョーンズは、研究者たちが4000個の原子核を作ったと示した論文中の図に言及して語った。「フッ素31の量がすごい。『おお！』と思いました。あのグラフを見て、もしフッ素32があったら、彼らはそれを観測していたはずです。しかし、彼らはそれを観測していないのです。」

これらの実験を通して、物理学者たちは自然界における可能性と不可能の境界をより深く理解したいと考えている。さらに、これらの測定は天体物理学者が中性子星のような宇宙の極限環境を研究する上で役立つ可能性があるとスパイロウ氏は述べている。中性子星は死んだ恒星の崩壊した中心核であり、その密度は非常に高く、ティースプーン一杯で約10億トンの重さになる。中性子星の極限環境は、久保氏が研究室で作り出す奇妙で短命な原子核を形成する可能性がある。

これらの突発的な粒子は、一部の中性子星の表面で観測されている謎のX線爆発に関与しているとジョーンズ氏は言う。X線スーパーバーストと呼ばれるこれらの爆発は、中性子星の重力が周回する通常の恒星から物質を吸い上げることで発生する。天体物理学者は、これらの新たな実験室測定結果を用いて、このようなX線爆発のより正確なモデルを構築できる可能性がある。

研究者たちは現在、周期表でネオンに次ぐ最も重いナトリウムの探索に終止符を打とうとしている。ジョーンズ氏とスパイロウ氏は共に、ミシガン州立大学で建設中のより強力な加速器「希少同位体ビーム施設」に所属している。2022年に稼働開始予定のこの装置は、ナトリウムと次の元素であるマグネシウムの質量限界を最終的に確定させるはずだ。

理想的には、物理学者たちは周期表全体にわたって中性子の限界を定めたいと考えている。しかし、ナトリウムは118ある元素のうち11番目の元素に過ぎない。「ドリップライン全体をマッピングできるかどうかは分かりません」とジョーンズ氏は言う。たとえ半分も到達できなかったとしても、彼らは宇宙の奇妙で激しいプロセスをほぼ手の届くところまで近づけたのだ。

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