**科学者たちが金の生成に関する20年にわたる核ミステリーを解明** 二十年以上にわたり、物理学者はスーパ新星爆発中に一般的な元素がどのようにして金になるかという正確なプロセスに頭を悩ませてきました。国際共同研究からの最新成果により、この長年の謎が解決されました。 - **主要発見** チームは、重核を星の死期における強烈な中性子バーストで打撃したときに金を生成できる特定の中性子捕捉反応列―*r‑プロセス*―を特定しました。 - **研究手法** ヨーロッパ宇宙機関（ESA）の *Gaia* 天文台から得られたデータと、Titanスーパーコンピュータ上で実行したシミュレーションを用いて、鉄より重い元素が極端な温度・圧力下でどのように形成されるかをマッピングしました。 - **意味合い** この突破口は金の宇宙起源を明らかにするだけでなく、星の進化と核合成モデルも洗練させます。古代星で観測された元素濃度パターンの解釈にも寄与し、希少同位体探索の今後の方向性を示唆します。 *Nature Physics* に掲載された本研究は、私たちの宇宙を形作る複雑な化学過程を理解する上で重要な一歩となります。

金は、特定の不安定な原子核が崩壊しない限り形成されません。これらの核変換がどのように進むかを正確に把握することは長い間困難でした。現在、テネシー大学（UT）の核物理学者たちは、一つの研究で三つの発見を報告し、このプロセスの重要な部分を明らかにしました。彼らの成果は、重元素を生成する星間イベントのモデル構築や異常原子核の挙動予測を改善する上で役立ちます。

金・プラチナなどの重元素は、恒星が崩壊・爆発・衝突するといった極端な条件下で鍛造されます。これらの出来事は急速中性子捕獲過程（略称：r‑process）を誘導します。この過程では原子核が連続的に中性子を取り込み、重く不安定になった後、最終的に軽くてより安定な形態へ分解されます。

同じ経路上でよく見られる一連の反応は、親核種のベータ崩壊に続き二つの中性子が放出されるというものです。これらの反応に関わる原子核は極めて希少かつ不安定であり、実験で直接研究することが難しく、場合によっては不可能です。そのため科学者たちは理論モデルに大きく依存し、実験データを用いて検証・改良を重ねています。

CERN の ISOLDE 施設での希少核種研究

r‑process をより詳細に調べるため、UT の研究者は複数機関の科学者と協力しました。チームには UT の大学院生ペーター・ディズゼル（Peter Dyszel）とジェイコブ・ゴージ（Jacob Gouge）、ロバート・グリュワツ（Robert Grzywacz）教授、ミゲル・マドゥルガ副教授、モニカ・ピエルサ＝シルコウスカ研究員が含まれます。彼らの仕事は、研究助手プロフェッサー ザンギュ・クシュ（Zhengyu Xu）によって開発されたデータ解析手法を活用しています。

研究者たちは希少同位体インジウム-134 の大量調製から始めました。グリュワツ教授は「これらの核種は作りにくく、十分な量を合成するには多大な新技術が必要だ」と語ります。

実験は CERN の ISOLDE Decay Station で行われ、インジウム-134 核種を豊富に生成し、高度なレーザー分離技術で純度を確保しました。インジウム-134 が崩壊すると、スズ-134、スズ-133、スズ-132 の励起状態が生じます。

米国国立科学財団（NSF）の主要研究装置プログラムにより資金提供された中性子検出器を使用し、UT で組み上げた装置で三つの主要な発見を得ました。最も重要なのはベータ遅延二中性子放出に関連する中性子エネルギーの初測定です。「二中性子放出こそが最大のポイントだ」とグリュワツ教授は述べます。

ベータ遅延二中性子放出は、極めて不安定で短命な異常核種にのみ起きます。核から二つの中性子を分離するためのエネルギーは非常に小さいですが、この実験では測定可能な大きさでした。「中性子は跳ね回るので、一本か二本か判断しづらい」―という説明がありました。過去にはエネルギーを測定した例がなく、本手法は全く新しい領域を切り開いたとされています。

この研究は、r‑process の経路に沿った核からの二中性子放出を詳細に調べた初めての試みです。結果は、金などの重元素を生成する星間イベントのモデル改善に貴重な洞察を提供します。

スズ-133 における長年予測された単粒子中性子状態の観測

二つ目の大きな発見は、スズ-133 で長らく予想されていた単粒子中性子状態が初めて観測されたことです。グリュワツ教授によれば、「核は励起状態にあり、安定化するためにエネルギーを放出しなければならない」と語ります。「スズは励起状態で、冷却しなければならない。中性子を一つ放出できるが、十分なエネルギーがあれば二つも放てるはずだ。しかし実際にはそうではない」。

従来の考えでは、スズ核は単に中性子を放出して冷却し、以前のベータ崩壊イベントの痕跡を失うとされていました。この場合、核は「記憶喪失核」とみなされます。グリュワツ教授は「スズが忘れるわけではない」と強調します。「インジウムの『影』は完全には消えず、記憶は消去されない」。

高度な中性子検出器を用いることで、この捉えにくい核状態を検知できました。この観測は現在の理論的説明が不十分であることを示唆し、一部の崩壊が一つの中性子、他は二つの中性子を放出する理由を説明するより洗練された枠組みが必要だと示しています。グリュワツ教授は「20 年間探していたものを見つけた」と語り、「この二中性子のおかげで状態を見ることができた」と述べています。

新しく観測された状態は、二中性子放出シーケンスの中間段階に相当し、スズ-133 の最終的な単一励起を表します。これにより核構造全体像が完成し、理論計算の精度向上にも寄与します。

既存モデルに挑戦する第三の発見

さらに三つ目の重要結果として、研究者たちは新しく特定された状態の非統計的な集団化を観測しました。簡単に言えば、この状態が崩壊中にどのように生成されるかは、科学者が通常期待するパターンとは一致しません。

グリュワツ教授は「実験環境は比較的クリーンであり、核状態は混雑せずに分離している」と説明します。「スプラットピーソープのようなものを作っていない」―という比喩を用いました。とはいえ、多くの場合は統計的メカニズムが働きます。「どうして統計的なのか、でもそうであってはならないのに、私たちのケースではそうでないのか？」と疑問を投げかけました。

これらの発見は、安定性から遠く離れた領域、特にテネシン（Tennessine）などの異常核種を探索する際に、既存モデルが通用しなくなる可能性を示唆しています。極端な系を記述するためには新しい理論的アプローチが必要となるでしょう。

新たな発見への好奇心

核構造と元素形成のより良いモデルを追求する研究は、ディズゼルのような早期キャリア科学者に大きな機会を提供します。彼は 2022 年にグリュワツ教授の研究室に加わり、今回の発見を報告した Physical Review Letters 論文の第一著者です。実験中の責任範囲は広範で、ネutron-tracking 検出器用フレーム構築から電子システムの設置、ベータ検出器作製、試験測定、データ取得ソフトウェア開発、タイミングシステム調整、そして得られたデータ解析までを担当しました。彼は「このプロジェクトは多くの研究者との協力で成り立っている」と述べています。

フロリダ州ジャクソンビル出身のディズゼルは、北フロリダ大学（University of North Florida）で物理学の学士号を取得後 UT に入学しました。彼が核科学に興味を抱いたきっかけは、一般化学コースでベータ崩壊について初めて知ったときでした。「全く新しい元素を作り出す核変換のアイデアに魅了され、最初は化学部位を考えていました」―と語ります。彼は「大学院が始まってから物理学クラスに踏み込み、そこから物理学への道を歩むことになった」と説明し、「世界がどのように機能するかを理解したいという好奇心が常に私を引きつけており、物理学はその探求路であり続ける」ことを語っています。