第一原理計算で解き明かす原子核の姿

背景と目的

原子核は、構成粒子である陽子と中性子（核子とよばれます）の間にはたらく核力によって結合する量子多体系です。核力は、湯川秀樹氏によって提唱された「パイ中間子」とよばれる粒子を核子間で交換することで説明される、とても強い引力です(図1)。本研究では、このパイ中間子を起源とする核力が原子核の構造に与える影響を調べています。特に核力をそのまま用いて原子核の構造を調べる「第一原理計算」を数値的に行っています。

原子核の第一原理計算は世界中で精力的に行われていますが、核力の扱いは一般的に難しいため、結果は炭素12（陽子6個と中性子6個）までにとどまっています。原子核は300個程度の質量数（陽子と中性子の数の総和）まで存在しますが、重い原子核は最先端の理論でも計算が不可能であり、代わりに現象を再現するモデル化が導入されています。したがって、より大きな質量数を含めた原子核全体の性質を、その結合の基本原理である核力から解き上げ、解明することは原子核物理の大きな目標となっています。

内容

本研究では核力を扱う新しい原子核の理論を提唱しています。原子核を記述するためのベースとなる模型には「分子動力学」（Molecular Dynamics, MD）を用います。この理論では、陽子と中性子がパイ中間子を交換することで生じる特徴的な引力である「テンソル力」（非等方性をもつ）に注目し、原子核の内部でテンソル力の効果を受けた陽子・中性子の運動を適切に記述します。実際に小さな質量数の原子核に適用し、精密計算を再現することを確かめました(図2)。今後はこの新理論をより重い原子核へ適用することで、核力から原子核を理解し、さらに原子核自身の新奇な構造を探っていく予定です。

新規性

1. 本研究ではパイ中間子の交換から生まれる核力の特徴である「テンソル力」を扱う原子核の理論を構築しています。核力を直接扱う理論は一般的に質量数が小さい原子核に制限されます。一方、本研究の理論ではテンソル力の効果を効率的に取り入れる工夫がなされており、より大きな質量数への適用が可能であると見込まれます。
2. 原子核の形は球形だけはなく、例えば変形したり、複数のα粒子（He原子核）に分離した分子的な状態も存在します（図3）。特に分子的状態は恒星内部における元素の生成過程の理解に重要です。本研究では、核子（陽子、中性子）をガウス関数型の波束で表した分子動力学（MD）を用います。核子を表す波束が近づいたり離れたりすることで、分子的な状態の原子核を容易に記述することができます。

用途・効果

1. 原子核物理学：量子多体系である原子核の構造を、核力を用いてより基本的な観点から解明します。
2. 多体基礎理論：物理学や化学等の分野で扱う多粒子系の現象において、粒子間にはたらく多体相関を記述する基礎理論の発展につながります。