極めて強力なレーザー光で、電子をまとわない「裸」イオン状態の鉄の原子核を作り出し、その原子核を光の1/5の速さに一気に加速することに、日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究センター(京都府木津川市)の西内満美子(にしうち まみこ)研究副主幹と榊泰直(さかき ひろなお)研究副主幹らが世界で初めて成功した。

図1. 鉄を仕込んだ標的に高い光強度のレーザーを照射し、ほぼ「裸」イオン状態の鉄の原子核を高エネルギーに加速して取り出した実験の概略。鉄の原子核のエネルギーは新型の固体飛跡検出器で計測し、その鉄イオンがほぼ「裸」イオン状態(原子核)であることはX線の検出器で確認した。(提供：日本原子力研究開発機構)

実験室内で生成できても短時間ですぐに壊れるため、取り出すことが難しい原子核の詳細な研究・分析に新しい道を開いた。既存の加速器技術と融合させて、物理学の新分野を開拓する画期的な成果といえる。神戸大学、九州大学、大阪大学、ロシア合同高温研究所との共同研究で、3月9日付の米物理学会誌Physics of Plasmasに発表した。

図2. 重い原子核にのみ感度のある固体飛跡検出器の一種のポリイミド。a)ポリイミドの写真。実験では、7㎝四方の極薄フィルムを複数枚重ねて使用。b)ポリイミドの表面を顕微鏡で計測した様子。多くの黒い穴は鉄の原子核がポリイミドに打ち込まれてできた穴。c)表面の顕微鏡計測で、わかりやすいように鉄による黒い穴が少ない領域を拡大して表示。(提供：日本原子力研究開発機構)

図3. X線結晶分光器で計測されたレーザー生成プラズマからのX線。鉄の原子核の周りに電子が1つと2つ存在するほぼ「裸」状態のイオンからの信号が計測された。(提供：日本原子力研究開発機構)

強いレーザー光を物質に照射すると、物質中の原子は、瞬時にプラズマ化し、電子を全く持たない「裸」イオン状態か、「裸」イオンに近い状態になる。同時に、プラズマ中に生じる強い電場で、一気に加速されて物質から引き出されると考えられていた。しかし、実験例はなかった。今回、研究チームは、ポリイミド膜を用いた新型検出器と精密なX線分光を組み合わせて、電気の力で粒子を加速する大型の重元素加速器と同じように、光で「裸」の鉄原子核を加速して取り出すことができることを世界で初めて実証した。

量子ビーム応用研究センターには、世界最高強度のレーザー光を瞬間的に発生できる装置がある。直径1ミクロン(1ミクロンは1000分の1ミリ)のごく狭い領域に、極めて短い時間、集中的にレーザー光を絞り込み、1兆キロワット近くのレーザーを出せるようになっている。研究グループはこのプラズマ光を薄膜に照射し、ほぼすべての電子がはぎ取られた鉄原子核の「裸」イオンがビームとなって飛び出してくるのを、5センチ離れた検出器で捉えた。この鉄原子核の速度は光速の1/5にまで達していたことも測定した。

成功のポイントは、ここでしか出せない強力なレーザー光に加えて、薄膜標的(0.5%の鉄を含むアルミニウム薄膜)の設計、重いイオンの検出器導入、X線結晶分光器による鉄原子核の裸イオン状態の計測が有効だったという。重元素を加速するのには大型加速器が現在必要だが、このレーザー新技術は、非常に小さな領域からほぼ「裸」のイオンを高エネルギーに加速できるので、装置の小型化が実現する。さらに、超新星爆発などの天体現象で作り出されるような極めて短時間で壊れる重元素の研究にも使える可能性がある。

これまで、レーザーを用いて原子核を加速する実験では、陽子を加速する実験が主に脚光を浴びてきた。陽子以外の原子核を「裸」イオンにして加速して取り出したという報告はあっても、比較的軽い炭素や酸素に関する報告だった。レーザー光の強さが十分に強くなく、重い原子核の取り出しに最適化した標的の検討や検出器の性能も不十分だったからだ。研究グループは、工夫を重ねて、これらの課題を一挙に克服した。

実験に成功した研究グループは「10年近く開発に苦労してようやく達成し、重イオンを加速できる小型装置の原理を実証した。重い短寿命の原子核を一瞬にして引き出せるので、加速器技術とレーザー技術を融合させることが可能だ。さらに加速器技術を飛躍させることができるだろう」と意義を強調している。