理研ら,原子核時計の実現に新たな知見

理化学研究所(理研),宇宙航空研究開発機構,日本原子力研究開発機構,東北大学,九州大学の研究グループは,トリウム229(229Th:原子番号90,質量数229)原子核の準安定状態である「アイソマー状態」のエネルギーを決定した(ニュースリリース)。

原子核の励起状態で,状態の寿命がおよそナノ秒より長い準安定状態のことを「アイソマー状態」と呼ぶ。トリウム229の原子核は,励起エネルギーがわずか数エレクトロンボルト(eV)のアイソマー状態を持っている。

このアイソマー状態は,基底状態からレーザーによって励起できるため,精密レーザー分光できる唯一の原子核と考えられており,近年注目を集めている。

その応用として,原子核が基底状態からアイソマー状態へ遷移する際に吸収する電磁波の周波数を基準とする「原子核時計」が期待されている。原子核は周りを回る電子に囲まれているために,吸収する電磁波の周波数が周囲の環境変化の影響を受けにくいことから,原子核時計は現在の原子時計よりも1桁以上高い精度を実現できると考えられている。

しかし,2007年までに報告されたアイソマー状態にある原子核のエネルギー値は,実験を行なうグループの間で一致していなかった。

そのため,分光用レーザーのエネルギーの値が定まらず,アイソマー状態の原子核の精密レーザー分光もまだ実現されていない。したがって,アイソマー状態のエネルギーの新たな測定と,その測定値と過去の測定値との整合性の検証が待たれていた。

今回研究グループでは,エネルギー29.2keVの第2励起状態に着目し,第2励起状態のエネルギーECRと,第2励起状態からアイソマー状態への遷移エネルギーEINの差からEISを求めた。

研究グループの先行研究では,大型放射光施設「SPring-8」の放射光を用いて,トリウム229の原子核を基底状態から29.2keVの第2励起状態にすることに成功し,ECRの値を29189.93±0.07eVと決定している。そこでこの研究では,残りのEINを測定した。

EINを精度良く測定するため,高いエネルギー分解能のガンマ線分光器である超伝導遷移端センサーを独自に開発した。この素子を使って,EINを29181.63±0.92eVと決定し,ECRとEINの差をとることで,アイソマー状態のエネルギーEISを8.30±0.92eVと決定した。このエネルギー値は,2019年に異なる実験手法で測定した,他のニつの実験グループによる最新の測定値と一致した。

今後は,この研究で決定したエネルギー領域の励起用レーザーを作製し,アイソマー状態にあるトリウム229原子核の精密レーザー分光の実現に向けて研究を進めたいとしている。

その他関連ニュース

  • 理研ら,カドミウム光格子時計の魔法波長を決定 2019年09月17日
  • 岡山大ら,X線でアイソマー状態を生成 2019年09月12日
  • 東工大ら,低消費電力/小型の原子時計を開発 2019年02月19日
  • 理研ら,銅同位体原子核の励起状態の磁気モーメントを測定 2019年02月01日
  • 理研ら,K中間子と二つの陽子からなる原子核を発見 2019年01月25日
  • 理研,19桁光格子時計に向けた魔法条件を決定 2019年01月22日
  • 筑波大ら,非対称核分裂をめぐる謎を解明 2018年12月21日
  • 東北大,原子核のスピン流を検出 2018年10月24日