「存在する可能性のある最も重い元素は何ですか？」は、原子核物理学にとって基本的な質問の1つである。現在、原子番号（すなわち陽子数）118までの元素が見つかっているがさらに陽子数の多い元素が存在すると予測されている。超重元素と呼ばれるこのような元素は、原子核の内部構造のおかげで存在する。原子核の内部では量子状態の異なる様々な軌道があり、それらに陽子や中性子が配位されている。軌道間のエネルギーギャップが大きい場合には原子核に追加の結合エネルギーをもたらされ、クーロン反発力による原子核の分解を妨げる。横軸を中性子数、縦軸を陽子数として原子核の存在を表す核図表から分かるように、「安定の島」と呼ばれる領域では、陽子数(Z) 114または120、および中性子数(N) 184付近の領域で軌道間のエネルギーギャップが大きくなると予想されている。この大きなエネルギーギャップにより「安定の島」には長寿命の超重元素が存在していると理論計算では予測されている。ただし、「安定の島」の超重元素を実験的に生成することは非常に困難である。

「安定の島」を形成する陽子軌道と中性子軌道を高い精度で予測するために、アインスタイニウム254 (²⁵⁴Es 、Z=99、N=155)の内部構造を調べることにした。球形である「安定の島」の原子核と異なり、²⁵⁴Esはラグビーボールに似た形状に変形している。原子核の変形は軌道の構成を変化させるため、変形した原子核ではZ=100と108及びN=152と162で軌道間のエネルギーギャップが大きくなる。さらに、「安定の島」を形成するいくつかの軌道が原子核の表面近くに現れる。このため、変形した²⁵⁴Esの内部構造から安定の島に関する情報を得ることが可能となる。本研究では²⁵⁴Esがどの程度変形しているか、変形度を調べることにより、超重元素の性質と元素の存在限界を決める予測精度を上げる。

半減期がわずか276日である人工元素²⁵⁴Esは、入手が最も難しい材料の1つである。 米国オークリッジ国立研究所の高中性子束同位体原子炉でのみ製造され、塩の粒の100分の1である約0.0000005グラムの²⁵⁴Esを生成するのに約1年間がかかる。 我々は令和元年に製造された²⁵⁴Esの半分を取得し、この少量の材料から薄膜標的を作成した。

²⁵⁴Esの変形度を求める実験は、原子力機構のタンデム加速器施設で実施した。タンデム加速器で加速されたニッケルビームを²⁵⁴Es標的に照射すると、 ビームとの相互作用により励起された²⁵⁴Esからγ線が放出される。左下の概略図に示すように、²⁵⁴Esと相互作用したニッケルは荷電粒子検出器で検出され、γ線は、12台のγ線検出器で構成された測定装置で検出する。測定装置は、中国の現代物理学研究所（IMP）や大阪大学の共同研究者との協力で構築した。²⁵⁴Esの変形度はγ線スペクトルを解析することによって決定できる。

実験で得られた²⁵⁴Esのγ線スペクトルを右下図に示す。スペクトルでは²⁵⁴Esの励起状態間の遷移で放出されたγ線によるピークが見える。どの状態が励起され、それぞれの状態がどれだけ生成されたかの情報から、²⁵⁴Esの変形度を決定できる。 現在は、²⁵⁴Esのどのような状態が励起されているかを確認している。

²⁵⁴Esの変形度を決定することで、²⁵⁴Esでどのような軌道が内部構造に影響を及ぼしているかがわかる。「安定の島」を形成するいくつかの軌道に関する情報が得られると期待しており、それにより、超重元素の性質や元素の存在限界を予測する理論計算が改善されると考えている。萌芽研究開発制度により、IMPと大阪大学との強力な新しい共同研究体制を構築することができた。

今後は、²⁵⁴Esを用いて、多核子移行反応で安定の島へ向かう中性子数の多い原子核を生成し、励起状態からのγ線を取得することで核構造の変更を調べる予定である。また、原子力機構のタンデム加速器施設では²⁵⁴Es標的以外にも様々な放射性同位元素を標的として使用することも可能であるため、他の標的を用いた測定についても共同研究者と議論を進めている。ウランのような重イオンビームを加速可能な線形加速器を建設することも検討中で、それが実現すれば安定の島に近い超重元素同位体の合成が可能となり、さらに新規性と多様性に富む原子核構造の発見が期待できる。