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原子核は様々な量子現象の舞台です。一粒子運動と集団運動の拮抗、自発的対称性の破れ（回転対称性、反転対称性、ゲージ対称性…）、コヒーレンス、量子もつれと干渉現象…。原子核の実験技術は飛躍的な発展のさなかにあります。私たちは最先端のガンマ線トラッキング検出器と希少原子核ビームを組み合わせて原子核の種類や励起エネルギー、さまざまな量子数を変化させることで原子核に現れるさまざまな量子構造を研究しています。

一例として回転対称性や反転対称性を自発的にやぶった状態の探索があります。原子核は中性子と陽子（あわせて核子）が自己束縛する孤立した有限多体系であるため、太陽系における太陽のような中心を持たず、その形状をその構成要素である核子たち自身で「民主的に」決めることになります。回転対称な空間に浮かぶこの系は古典的には回転対称な形状、すなわち球形をとりますが、原子核の場合、量子性のために多くの場合変形していることが分かっています。これは量子系における自発的対称性の破れの典型例で、ゲージ空間における対称性の破れと理解できる物性における超伝導現象など、さまざまなスケールの量子系とのつながりがあります。原子核の変形はよく研究されていますが、これまでに実験で知られているのは主として軸対称四重極変形、すなわち、ラグビーボール型変形（プロレート変形）やミカン型変形（オブレート変形）で、理論的にはもっと変わった変形も多数予言されています。例えば、非軸対称（三軸非対称）の四重極変形や、空間反転対称性すら破る洋梨形変形やテトラポット型変形（八重極変形）、軸対称四重極変形のなかでも非常に変形度の大きなハイパー変形などがあげられます。こうした形状は中性子数と陽子数の関数として変化していきますが、原子核科学研究センターがRIビームファクトリーにもつ OEDO/SHARAQ ビームラインで広い領域の中性子数と陽子数の原子核を生成し、ガンマ線トラッキング検出器で測定することを目指しています。

反物質消失機構、暗黒物質の実体など、宇宙太古の物質創成の歴史を、基本対称性の破れを軸足に、解明して行きます。 極端な構造を持つ重い原子核では、未知の対称性や相互作用のシグナルが量子増幅され、 微かな基本対称性の破れを調べる顕微鏡の役割を果たします。加速器とレーザーを駆使して、 光格子原子干渉計を用いた未知素粒子の物性を探る量子センシング技術を開拓しています。現在、

• 光格子干渉計によるフランシウム永久電気双極子能率（EDM）探索
• 原子核媒質中における弱い相互作用の伝搬機構（anapole moment）
• レーザー冷却極性分子（Fr-Sr）生成の開発

を進めています。標準理論を超える新しい現象を探索するとともに、量子多体系における基本対称性破れの媒質効果や、 その時間発展など、巨視的対称性破れの発現機構を極端な原子核を用いて一緒に探っていきましょう。

現在存在が確認されている原子核は3000個あり、理論では更に3000個存在すると言われています。 これらの原子核の殆どは放射性同位体で、強い相互作用では束縛しますが、弱い相互作用では 崩壊します。世界中で10を超えるこれら放射性同位体を研究する施設が稼動しており、熾烈な競争状態にあります。 我々は、世界でもユニークな実験設備である低速化装置OEDO+磁気分析器SHARAQのホスト研究室として、 世界中のユーザーと共に有限量子多体系での核子の自己組織化機構の解明を目指して、日々研究を 推進しています。

特に、変形共存、エキゾチック変形、BEC-BCSクロスオーバー現象といった、近年明らかになってきた新奇 現象を実験的に調べています。また、中性子過剰な原子核の中性子捕獲反応断面積を評価することで、 重い元素の起源天体について微視的に調べています。これら研究を可能にする、γ線検出器、スト リップ型のシリコン半導体検出器を用いた反跳粒子検出器、薄型ダイヤモンド検出器の開発も進めています。

原子核はたかだか100個程度の核子からなる少数粒子系で、陽子・中性子の組み合わせで生じる様々な様態が研究対象になってきました。 有限のシステムなので、表面や形といった巨視的な属性があります。 原子核を原子核散乱を通して外から「突っつく」ことで回転・振動運動を引き起こすことができます。 この現象は原子核集団励起と呼ばれ、原子核の堅さをはじめとした基本的な性質を反映します。 エキゾチック核反応グループでは「突っつき」に対する原子核の応答を調べることで原子核の新しい様相、集団性を生み出す相互作用の研究を進めています。

RIBF の不安定核ビームによって、散乱実験に用いられてこなかったアンバランスな原子核を対象にすることができるようになりました。 これらの原子核について、従来からあるスピン・アイソスピン応答の研究を行うのが研究室の主軸です。 このために、PANDORA をはじめとした中性子検出器の開発を進めました。 時に、スピン異性体など、新しい不安定核ビームの開発を行います。 一方で、不安定核ビームで別の原子核を「突っつく」ことにより、新しい共鳴状態を探索します。 大きな角運動量をもったビームを使えば、高スピン状態が効率よく作れるかもしれない、などの素朴なアイデアを実地で試せるような恵まれた時代を実験核物理学は迎えています。

ビッグバン直後の初期宇宙に存在した、超高温クォーク物質(クォーク・グルーオンプラズマ)を実験室で生成し、その性質を探ることで、初期宇宙の物質状態やQCD相転移(クォークの閉じ込め・カイラル対称性の破れとハドロンの質量獲得)といった物質創生の謎を解明していきます。 この超高温クォーク物質を実験的に検証する方法が高エネルギー重イオン衝突実験です。欧州素粒子原子核研究所(CERN) の大型ハドロン加速器(LHC) を用いたALICE 実験を推進しています。

宇宙において星が輝き、超新星などの爆発現象が起こるメカニズムは、原子の中の小さな原子核の働きによって説明できます。 大きな宇宙に浮かぶ天体と、微小な原子核を結びつける研究分野が「宇宙核物理」です。 我々の身の周りにある元素が宇宙の歴史の中でどのように合成されたか、また宇宙の星がどのように燃焼し、時に爆発するか、という疑問に答えるには、宇宙核物理の力が必要です。

山口研究室/ 宇宙核物理グループでは、爆発天体温度の不安定核ビームを生成できるユニークな装置「CRIB」を使って、 世界の研究者と共に、宇宙で最初の元素合成、ビッグバン元素合成から、 宇宙で頻繁に起こる爆発現象、X線バーストに至るまで、様々な宇宙の謎の解明に取り組んでいます。

世界的にも宇宙核物理は核物理研究の一大テーマとなっており、山口研究室は日本に軸を置きながら、 きわめて国際的な研究環境の中で、ユニークな研究を推進しています。