理化学研究所（理研）開拓研究本部香取量子計測研究室の山口敦史研究員、理研仁科加速器科学研究センターRI応用研究開発室の羽場宏光室長、宇宙航空研究開発機構の満田和久教授、日本原子力研究開発機構の中村圭佑主査、東北大学の小無健司特任准教授、菊永英寿准教授、九州大学大学院の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。しかし、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。

今回、共同研究グループは、本研究で開発した超伝導遷移端センサー^[4]と呼ばれる高いエネルギー分解能のガンマ線分光器を用いて、トリウム229原子核から放射されるガンマ線のエネルギーを精密に測定し、アイソマー状態のエネルギーを8.30±0.92 eVと決定しました。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。

本研究は、米国の科学雑誌『Physical Review 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。

図 トリウム229のアイソマー状態のエネルギー測定値

【用語解説】

[1] アイソマー状態
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。

[2] 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。

[3] エレクトロンボルト（eV）
エネルギーの単位。例えば、本研究で決定したアイソマー状態のエネルギー8.30 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。

[4] 超伝導遷移端センサー
英語名Transition Edge 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。

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