50年もの奮闘を乗り越え、β崩壊に潜む謎が解明

・科学者たちは長い間、理論的に計算されたβ崩壊速度が実験で観測されたものよりもはるかに速い理由を説明できずにいました。

・物理学者たちは最近、先進的な核モデルシミュレーションを用いて、この長年の謎を解決する方法を見つけました。

原子核物理学では、不安定な原子核が衝動的にエネルギーを放出する放射性崩壊のことをβ崩壊と呼んでいます。β崩壊の過程で原子は、質量数を変えずに1単位の正電荷を持つようになります。

この崩壊は通常、電子放出、陽電子放出、電子捕獲と関連しており、星の爆発や宇宙での元素合成を説明するなど、標準の型を超える物理学の理解に役立っています。

しかし、原子核で観測されるベータ崩壊速度は、自由中性子の場合よりも小さいことがわかっています。この理論計算と実験結果の不一致を、科学者たちは50年もの間説明できませんでした。

最近、国際的な物理学者のチームが、先進的な原子核モデルシミュレーションを用いることで、この長年の謎を解く方法を発見しました。この結果は実験データと一致しており、原子核のβ崩壊速度が、自由中性子のβ崩壊に基づいてなされた予想よりも小さいことを示しています。

研究者たちは何年も前から、各核子の電弱力との相互作用を人工的に調整する、「クエンチング」と呼ばれるプロセスを行ってきました。これにより、β崩壊の速度を測定することができました。同じような質量の原子核であれば同程度の消光係数が得られますが、質量の異なる原子核では消光係数が大きく異なる可能性があります。

どのようにして解明されたのでしょうか？

β崩壊を測定するには、原子核の構造を正確に計算するだけでなく、核子が電弱力とどのように相互作用するのかを計算する必要があります。一対の格子と電弱力との相互作用については、さらに計算が難しくなります。

研究チームは、弱い力と強い力についての有効場の理論と強力な量子多体論を組み合わせて、軽質量から重質量までの原子核からのβ崩壊をシミュレーションしました。

これにより、2つの中性子星の合体や超新星爆発のような、鉄より重い元素が生成されるくらい極めて過酷な環境下にある不安定な原子核のβ崩壊を正確に予測することが可能になります。

今回の研究で用いた手法は、原子核内で2つの中性子が同時に2つの陽子に変化する放射性崩壊である「ニュートリノレス二重β崩壊」の正確な予測にも利用できる可能性があります。この現象が観測されれば、核物理学の理解を大きく変えることになるでしょう。