トリウム

2023 年 6 月 1 日

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マインツ大学による

質量数 229 (229Th) のトリウム同位体は、基礎物理学だけでなく、核時計などの将来の応用においても、多くの点で非常に刺激的です。

ヨハネス・グーテンベルク大学マインツのドミトリー・ブドカー教授のグループも参加したドイツ・中国・アメリカの国際研究チームは、229Thを詳細に研究する全く新しいアプローチを提案した。 研究者らは、中性原子に存在する90個の電子のうち、殻に3個だけしか残っていないトリウムイオンを使いたいと考えている。

このようなシステムには多くの利点があると研究者らはジャーナルPhysical Review Researchの最新号で報告しており、最も注目すべき点は可視波長範囲の従来のレーザーで最初の核遷移を励起できることである。 ただし、これにはイオンが相対論的蓄積リング内を循環している必要があります。

トリウム 229 の特別な点は、トリウム 229m という準安定異性体状態の原子核が、現在知られている約 3,800 個の原子核の中で最も低い励起エネルギー レベルを持っていることです。 したがって、これは、たとえ蓄積リングを使用しなくても、レーザーで潜在的に調べることができる唯一の核遷移です。 この移行と2つの核保有国を極めて正確に測定することで、有望で多様な展望が開かれる。

この目的を達成するために、ドミトリー・ブドカー率いる研究者らは現在、「研究の対象」と実験設定の両方の観点から、新しいアプローチを提案している。彼らは、高荷電イオン、略してHCI、具体的には、電子殻には電子が 3 つだけ残っています。 このような高度に荷電したトリウムイオンでは、電子と原子核の間の相互作用により、核の異性体状態を効率的に「配置」するために使用できるいくつかの新しい遷移が開かれます。

このアイデアは、これらのトリウム イオンを粒子加速器でほぼ光の速度まで加速することです。 このようにして、いわばてこの効果を利用して、従来のレーザーで可能な限り効果的にそれらを励起し、非常に正確に研究できるようになります。 最も重要なことは、複数の励起状態に対処し、実際に関心のある異性体状態を「追加」するために使用できることです。

トリウム 229m に関するこれまでの研究のほとんどは、低電荷状態の非相対論的原子またはイオンを扱っており、深紫外領域の極めて短波長のレーザーが必要となるため、励起に必要な光源に高い要求が課せられます。 「代わりに、可視の（従来の）波長範囲のレーザーを使用できるという事実により、分光学的研究が容易になります」とドミトリー・ブドカー氏は説明します。

「これが可能であるということは、トリウムイオンがほぼ光速まで加速されるという事実に関係しています。相対論的効果により、彼らは正面から照射されたレーザービームをはるかに短い波長のビームとして認識します。彼らにとって、従来のレーザー光は UV レーザーのように見えます」と筆頭著者で現在博士号を取得している Junlan Jin 氏は付け加えます。 彼はプリンストン大学の学生で、以前はリモート インターンシップの一環としてドミトリー ブドカーのグループと非常に密接に協力し、成功を収めていました。

現在の出版物の中で、著者らは、その方法を実現するために必要なさまざまなステップについて説明しています。それらは、ドイツのダルムシュタットにある GSI に建設中の FAIR 施設にある可能性のある加速器リングを使用して、高荷電トリウムイオンの加速ビームの生成から始まります。あるいは CERN で計画されているガンマ工場 - 現在のトリウム出版物の著者らは、そのような「超光源」の実現のための概念提案にも関わっています。

次に、生成される励起状態の検出と同様のシステムへの移行可能性に焦点を当てる前に、トリウム原子核の可能な限り完全な励起を取得するためのさまざまなシナリオについて詳細に議論します。

研究チームの結論: 彼らの推定によれば、異性体状態のエネルギーは 10-4 よりも優れた精度、さらには 10-6 以下の精度で測定でき、これは現在の値より桁違いに向上します。 これにより、異性体状態のエネルギー決定におけるさらなる改善への道が開かれ、トリウム系を使用して基本的な物理学の疑問に答えるのに役立つでしょう。

「核時計の開発は、私たちの提案の焦点では​​ありません。それを実現するには、私たちの新しい方法がさまざまな技術的課題をもたらすからです」とドミトリー・ブドカー氏は付け加えた。

「しかし、私たちにとってトリウムは、基礎的な物理学の疑問に取り組むための非常に大きな「遊び場」であり、いわば新しい物理学の実験室です。たとえば、私たちは、自然界の特定の基本定数がおそらくそうではないのではないかという質問に答えたいと考えています。 「非常に一定ですが、時間や場所とともにドリフトしたり振動したりします。さらに、基本的な対称性のテストや、標準モデルを超える粒子や場の探索を想像することもできます。」

詳しくは： Junlan Jin 他、高エネルギー貯蔵リングにおける低エネルギー核状態の励起と探査、Physical Review Research (2023)。 DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.023134

マインツ大学提供