前畑京介准教授らの共同研究グループ※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[1]」のエネルギーを決定しました。本研究成果は、トリウム229原子核の精密レーザー分光[2]を通じて、将来の原子核時計の実現につながると期待できます。トリウム229の原子核は、基底状態からわずか数エレクトロンボルト(eV)[3]のエネルギー領域にアイソマー状態と呼ばれる準安定状態を持っています。基底状態の原子核にレーザー照射してアイソマー状態を作り出せるのは、トリウム229の原子核が唯一と考えられるため、超高精度な「原子核時計」への応用の可能性などから注目を集めています。2007年までの既報のアイソマー状態のエネルギー値は、実験を行うグループの間で一致していませんでした。この値は、2019年に異なる実験手法で測定された、他のニつの実験グループによる最新の測定値と一致しました。Letters』のEditors'Suggestionに選ばれ、オンライン版(11月26日付)に掲載されました。むけたトリウム229核異性体準位のエネルギー測定(研究代表者:山口敦史)」による支援を受けて行われました。原子核の励起状態で、状態の寿命がおよそナノ秒(10億分の1秒)より長い準安定状態のことを「アイソマー状態」と呼びます。トリウム229(229Th:原子番号90、質量数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ます。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ます。その応用として期待されているのが、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」です。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ます。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、実験を行うグループの間で一致していませんでした。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ません。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ました。図1に、トリウム229原子核のアイソマー状態のエネルギーを測定するために、共同研究グループが考案した研究手法を示します。ISが測定したいアイソマー状態のエネルギーです。eVと決定しています。IN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ました(図2)。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ました(図3)。左の超伝導遷移端センサー用いて測定されたトリウム229のガンマ線スペクトル。スペクトル幅36eVという高いエネルギー分解能を示した。トリウム229のアイソマー状態のエネルギー測定値2007年までの値(青のデータ)は一致していなかったが、2019年の値(赤のデータ)は、三つともそれぞれの測定誤差(データ点の横棒の長さ)の範囲で一致した。今後は、本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が進むと期待できます。その応用として注目されているのが、原子核時計です。既存の原子時計より1桁以上高い精度が期待される原子核時計を使えば、宇宙膨張に伴って変化する可能性が指摘されている基礎物理定数の恒常性の検証を通して、宇宙膨張の謎に迫る研究につながると考えられます。重力ポテンシャルの変化を原子時計の周波数変化として検出する相対論測地学[6]の強力な計測ツールとして、地殻変動の検出、地下資源の探索など、さまざまな分野への応用も期待できます。原子核の励起状態で、状態の寿命がおよそナノ秒(10億分の1秒)より長い準安定状態のこと。トリウム229のアイソマー状態は、1,000秒程度と極めて寿命が長いと考えられている。レーザー分光レーザーで測定対象の量子の状態を操作し、測定対象自体やその対象が周辺の環境から受けている影響を調べる手法。原子核時計では、トリウム229の原子核を基底状態からアイソマー状態へ励起するのに必要なレーザーの周波数を調べ、その周波数を基準に時計を作る。エレクトロンボルト(eV)エネルギーの単位。eVは、波長に換算すると真空紫外領域の149ナノメートルに相当する。Sensorを略してTESとも呼ばれる。超伝導体は、温度を下げていくと、常伝導から超伝導に変わる転移温度で、抵抗値がゼロになる。転移温度では、温度に対して抵抗値が急峻にゼロになるため、この遷移端を利用すると極めて感度の良い温度計(カロリメータ)ができる。TESでは、遷移端に温度が安定化された超伝導体の上に吸収体をのせ、入射ガンマ線による吸収体のわずかな温度変化を精密に測定することで、ガンマ線のエネルギーを精度良く求める。電子を光とほとんど同じ速度まで加速し、磁石により進行方向が曲げられる際に生じる細く強力な電磁波のことである。幅広い研究が行われている。相対論測地学アインシュタインの一般相対性理論によると、強い重力場中では時間の進み方が遅くなり、地上の低い場所にある時計は、高い場所にある時計に比べてゆっくり進む。高精度な時計を用いれば、時間の進み方の違いから高低差を精密に計測することができ、このような相対論的な効果を用いた新たな測地技術のことを相対論的測地と呼ぶ。Reserved.先頭へ戻る。