尼爾斯·玻爾提出的液滴模型認為，原子核內的中子與質子是零散存在的，呈現出如同均勻液體般的狀態，但實際上，原子核似乎是多個中子和質子的團簇等結構共存的多樣性存在。日本國立研究開發法人理化學研究所仁科加速器科學研究中心核反應研究部的上坂友洋部長、久保田悠樹研究員，京都大學研究生院理學研究科的錢廣十三副教授、辻崚太郎研究生（研究當時），大阪大學核物理研究中心的田中純貴助教，九州大學研究生院理學研究院的緒方一介教授等人組成的國際聯合研究團隊證實：在碳12與氧16原子核中，由單個質子與單個中子配對聚合而成的氘核團簇，其存在概率遠超以往認知。相關研究成果已發表在期刊《Progress of Theoretical and Experimental Physics》的網路版上。
理化學研究所 上坂友洋部長（供圖：科學新聞）
京都大學 錢廣十三副教授（供圖：科學新聞）
九州大學 緒方一介教授（供圖：科學新聞）
位於約百億分之一米大小的原子中心的原子核，大小僅為千萬億分之一米，卻佔據了原子質量的99.97%。玻爾提出了原子核內部狀態如同液體般均勻的觀點，這也成為了傳統的原子核認知。然而，19世紀末發現的α放射衰變卻難以用液滴模型來解釋。喬治·伽莫夫提出假說，認為原子核內部會形成α粒子，並藉助量子透納效應向外釋放，以此完成了相關原理解釋。
α放射衰變不僅是地球上氦氣的主要來源，還被應用於癌症治療、煙探測器等領域。不過，α粒子在原子核內如何產生，至今尚不清楚。
此次，上述國際聯合研究團隊啟動了「自凝項目」（Onokoro Project），通過向原子核轟擊高能質子，像打達摩落那樣將核内存在的粒子團塊敲出，同時又不影響剩餘部分，從而探測原子核內部。
敲出反應如同達摩落遊戲（供圖:理化學研究所）
研究團隊利用大阪大學核物理研究中心的迴旋加速器，向碳12和氧16轟擊能量為226MeV（約為光速的60%）的質子束，並分析了被敲出的氘核和質子。向原子核轟擊質子，其難度堪比朝著放置在東京巨蛋球場內的一顆彈珠投擲一粒小豆。本次研究共發射了約1000萬億個質子，其中約10萬個撞擊到了原子核，成功實現了約2000次「達摩落」式敲出。
結果顯示，在最外層軌道中包含的氘核團簇，在碳12中佔40%，在氧16中佔32%。以往的原子核子物理學並不認為存在如此多的氘核團簇，這一發現揭示了原子核中的不勻性比以往認為的更為多樣，且以高概率存在。上坂部長表示：「此次依託反應理論的完善進步，再加上我們精良完備的實驗裝置，得以精準順利地獲取到了這份研究數據」。
主導構建相關反應理論的緒方教授表示：「以往普遍認為氘核團簇結構穩定性極差，一經質子撞擊便會碎裂，從而無法完成觀測。因此，一旦學生在學術會議上發表相關研究觀點，常會遭到領域內資深學者的質疑駁斥。足見該現象此前難以被學術界認可。於是我們在理論中加入了計算其壓碎概率的方法，並在此基礎上得出了未被壓碎的比例數值。這也為實驗結果的物理可信度提供了有力支撐」。
在自凝項目中，研究團隊還成功地從鈣40原子核中敲出了α團簇，並從鈣同位素中敲出了氚/氦-3團簇。
上坂部長表示：「基於本次結果，我們希望將研究擴展到更接近α放射衰變的重原子核，以及在地球上僅瞬間存在的不穩定原子核，最終目標是觀測作為α放射衰變種子的原子核內部α粒子，並獲得與原子核基本性質相關的穩定性及反應性的全新認知」。
錢廣副教授表示：「原子核內部並非均質結構本就是合乎情理的結論。因為包括人類在內的生物本身就具有多樣性。在不同的層級中，或許都存在相似的規律特質。或許這是一種共通的普適性法則。如今我們終於站在了能夠探尋這一法則本源的研究起點上」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Progress of Theoretical and Experimental Physics
論文：Proton-induced deuteron knockout (p,pd) on 12C and 16O at 226 MeV
DOI：10.1093/ptep/ptag046
