自然界で最小の励起エネルギーをもつ原子核状態の人工的生成に成功－超精密「原子核時計」実現に大きく前進－

2019年09月12日

岡山大学
高輝度光科学研究センター
理化学研究所
産業技術総合研究所
京都大学

◆発表のポイント

• 自然界最小の励起エネルギーを持つ原子核状態（アイソマー状態）を、世界で初めて人工的に生成することに成功しました。
• 大型放射光施設（SPring-8）の高輝度X線を用いた原子核共鳴散乱技術により、アイソマー状態を大量かつ自在に生成することが可能になりました。
• これによりアイソマー状態の研究が進展し、超精密原子核時計の実現に向けて大きく前進するものと期待されます。

　自然界には約3300種以上の原子核が存在しますが、この中で最小の励起エネルギーをもつ原子核がトリウム229です。この励起状態（アイソマー状態と呼ばれる）は、レーザーを用いて励起することができる唯一の原子核励起状態であり、これとレーザーを組み合わせることにより超精密時計（”原子核時計”）を実現することが可能となります。またトリウム229は宇宙膨張の謎の解明など、基礎物理研究の舞台（プラットフォーム）としても有益であると予想されています。
　トリウム229アイソマー状態に関する研究は40年以上にわたる歴史を持ちますが、大まかなエネルギー準位はわかっているものの、いまだレーザー励起には成功していません。困難な理由の一つが、この状態の生成方法にありました。すなわち、これまではウランからの放射線に伴う複雑な崩壊を利用する以外にその生成手段が存在しませんでした。
　岡山大学、産業技術総合研究所（産総研）、理化学研究所、大阪大学、京都大学、東北大学、ウィーン工科大学、高輝度光科学研究センター（JASRI）の共同研究グループは、世界で初めてアイソマー状態を人工的に生成することに成功しました。本方法は大型放射光施設（SPring-8）の高輝度X線を用いるもので、放射線の少ないクリーンな環境下でアイソマー状態を自在に生成できるという利点があります。これによりアイソマー状態の研究が進展し、原子核時計の実現に向けて大きく前進するものと期待されます。
　本研究成果は英国時間9月11日午後6時（日本時間9月12日午前2時）、英国学術雑誌「Nature」のオンライン版に掲載されました。

図1　トリウム229準位図(関係する基底状態及び励起状態) ①-②の順番でアイソマーを生成。今後は③に示したアイソマー状態からの光遷移を観測する計画。
図2　共鳴曲線(原子核共鳴散乱法によるトリウム229第二励起状態への遷移を確認)

◆研究者からのひとこと

この研究は大型放射光施設による高輝度X線、高速X線検出器、高性能トリウム標的、高精度角度検出技術など日本が誇る先端技術を結集し、オールジャパンの研究体制でようやく成功することができました。今後は、世界初の原子核時計の実現を目指し、一層強力な共同研究を推進する所存です。

吉村教授

■論文情報
　論 文 名：X-ray pumping of the 229Th nuclear clock isomer
　掲 載 紙：Nature　著 　者：Takahiko Masuda1, Akihiro Yoshimi1, Akira Fujieda1, Hiroyuki Fujimoto2, Hiromitsu Haba3, Hideaki Hara1, Takahiro Hiraki1, Hiroyuki Kaino1, Yoshitaka Kasamatsu4, Shinji Kitao5, Kenji Konashi6, Yuki Miyamoto1, Koichi Okai1, Sho Okubo1, Noboru Sasao1*, Makoto Seto5, Thorsten Schumm7, Yudai Shigekawa4, Kenta Suzuki1, Simon Stellmer7,10, Kenji Tamasaku8, Satoshi Uetake1, Makoto Watanabe6, Tsukasa Watanabe2, Yuki Yasuda4, Atsushi Yamaguchi3, Yoshitaka Yoda9, Takuya Yokokita3, Motohiko Yoshimura1 & Koji Yoshimura1*
1Research Institute for Interdisciplinary Science, Okayama University, Okayama, Japan.
2National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, Japan.
3RIKEN, Wako, Japan.
4Graduate School of Science, Osaka University, Toyonaka, Japan.
5Institute for Integrated Radiation and Nuclear Science, Kyoto University, Kumatori-cho, Japan.
6Institute for Materials Research, Tohoku University, Higashiibaraki-gun, Japan.
7Institute for Atomic and Subatomic Physics, TU Wien, Vienna, Austria.
8RIKEN SPring-8 Center, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, Japan.
9Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, Japan.　D O I：10.1038/s41586-019-1542-3


＜詳しい研究内容について＞
自然界で最小の励起エネルギーをもつ原子核状態の人工的生成に成功－超精密「原子核時計」実現に大きく前進－


＜お問い合わせ＞
岡山大学　異分野基礎科学研究所
教授　吉村 浩司
（電話番号）086-251-8499
（FAX）086-251-7811

＜SPring-8/SACLAに関すること＞
高輝度光科学研究センター
利用推進部　普及情報課
（電話番号）0791-58-2785
（FAX）0791-58-2786