励起状態寿命短縮実験計画案

濱上崇史 増田亮 五味川健治

平成 13 年 7 月 6 日

1 実験の目的

57Fe 原子核の励起状態の崩壊時間を短縮する。そしてそれを測る。これはいずれ原子核自体が崩壊して別の原子核になる現象の寿命を変えることに繋がるかもしれない。

2 理論的示唆

そもそも、崩壊が指数関数的に起きるというのは、真空中の理想的な場合の話である。ある特定の状況においては、それが成り立たなくなる。そのことを示唆する内容を以下に述べたい。ここでは、各原子核内部をブラックボックスとして考えよう。シンクロトロン放射できた光は、核を励起することでたまって (と考えて)、いずれ、核が励起状態から基底状態に戻る時に放出される。この時、放射される光 (一般にはＸ線) に注目する。観測される光の波動関数を Ψ とすると、

Ψ(t) = ψ_{1}(t) + ψ_{2}(t) + … + ψ_{n}(t)  (1)

ただし、 ψ_{i} は各原子核から放出される光子の波動関数である。したがって、 Ψ は各 ψ_{i} の重ね合わせになり、その存在確率には古典力学にはない干渉項が起こる。したがって、上手いこと (波動関数の) 位相を合わせてやることで、放出される確率を変えてやることが出来る。

3 実験方法

57Fe の含有率が違う 2 つの試料に^{57}Fe の第 1 励起状態と同じエネルギーを持つシンクロトロン光を入射して^{57}Fe 原子核を励起し、その崩壊時に放出される X 線を測定することで崩壊の様子を測る。以下に、詳細を述べる。

3.1 試料について

まず、試料についてであるが、ここで必要とされるのは、

1. シンクロトロン放射光で励起できる程度のエネルギーの所に第一励起状態があること。

2. 崩壊時間が適度に長いこと。

3. 吸収するビームのエネルギーの幅がそれなりにあること。

ここで、 2 と 3 は相反するので、適当な物質を探すことになる。その結果として^{57}Fe が選ばれる。それは、

1. 第一励起状態が 14.4keV でシンクロトロン光で十分励起できる、

2. シンクロトロン放射光の間隔が1.2μsecに対し^{57}Feの寿命は約100nsec、 3. 吸収してくれるエネルギーの幅が 0.1μeV でそれほどシビアでない、

と言う理由による。また、「4、用いる具体的な物質 (化合物) の素性が良いこと。」も要求される。 (せっかく放出した X 線を別の機構で吸収したりしない、と言うこと。 ) そこで、頻繁に実験で使われ、物性の良く知られた Fe_{2}O_{3} が試料として選ばれることになる。また、この時、試料の形状は、箔にする。厚さは 5〜10μm で、面積はシンクロトロン放射光の入射面積より大きければよい。（例えばＫＥＫのＡＲならば 1mm×10mm 以上にする。）そして比較するべき孤立原子核の崩壊と集団的励起からの崩壊のそれぞれの試料は孤立崩壊の方は約 20%だけ、集団励起からの崩壊の方は 95%に 57Fe が enriched された Fe_{2}O_{3} を用いて比較する。（値段が高いので場合によってＫＥＫで 95%のほうは借りることもできる。）

3.2 装置について

シンクロトロン放射光を利用するわけだが、使えるとしたら、施設としては、ＫＥＫしかない (らしい)。仮にＫＥＫのＡＲ (ＴＲＩＳＴＡＮ) を用いるとするならば、 SR放射光は1eVのエネルギー幅で2×10^{11}[counts/sec] で、^{57}Fe の第一励起状態の吸収の幅が 0,1μeV くらいであり、吸収幅に入った光は全て原子核の励起に使われるとすると、

2 × 10^{11} × \frac{10^{−7}}{1} = 2 × 10^{4}[counts/sec]  (2)

毎秒 20000counts ほど得られる。したがって、観測する時間は decay の傾きを調べるだけなら数時間でよいと思われる。 (試料のセットにはもっと時間がかかるかも)。また、実際にカウントするのは Fe からの放射光だがここで SR の光と区別するという問題が出てくる。ただ、 SR 光は大強度で短時間（ＫＥＫのＡＲなら 0.3nsec）だから明らかにその後のグラフと違うデータが出るので、そこだけ無視するか、、 SR 光が来た瞬間だけ検出しないようにする。また、検出器には時間応答性の高い (〜1ns) ＡＰＤを用いる。具体的な装置は下図参照。

図 1 測定装置

こうして SR 光が来た瞬間毎に時間をゼロに設定して何秒後に Fe から放射光が来たかをカウントし、そのデータを貯めていくと崩壊の曲線が得られ、それを比較することができる。

4 付録…グラフが波打つ理由

時間とカウント数のグラフが振動している理由は二つあります。一つは量子ビートというもので試料の物性によって核の準位が分裂していて (Zeemann 分裂など)、異なる準位同士が干渉して生じます。もう一つはダイナミカルビートというもので試料の厚みによるものです。（厚くなればより激しく振動します。）