私たちの身の回りにある物質は原子からできています。その中心にあるのが原子核ですが、あまりに小さく実際に見ることはできません。では、見えない原子核の「かたち」や「動き」は、どのように調べるのでしょうか。量子力学に基づく理論計算で原子核の形や振る舞いに迫る野村昂亮准教授に研究の最前線を聞きました。
原子核物理学とは ？
原子核は陽子と中性子から構成されています。この陽子と中性子をまとめて「核子」と呼びます。数や組み合わせは何千種類もあり、その違いによって異なる性質を持っています。原子核の中は、私たちの日常とは違う物理法則が重要になります。そこに何らかの規則性、単純な対称性や秩序などを見出そうとするのが、原子核物理学です。手がかりの一つが「集団運動」です。核子はばらばらに存在しているのではなく、1つの原子核としてまとまって動きます。これは、核子同士に「核力」と呼ばれる力が働くためです。核力は自然界にある4つの基本的な力のうちの1つである「強い力」に関係しています。
原子核の形は球だけではない
原子核や電子の存在が提唱されてからおよそ100年が経ちます。初期のころ、原子核は球形と考えられていました。しかし研究が進むにつれて球として扱うだけでは、実験で観測される結果を十分に説明できないことが分かってきました。現在では、球型の他に細長い「レモン型」や上下につぶれた「ミカン型」など、さまざまな変形があると考えられています。
見えない原子核をどう調べるのか
原子核は直接見ることができません。そこで、原子核が「ある状態」から「別の状態」に変わる遷移の際に放出する光 (γ線) を観測します。γ線のエネルギーを詳しく調べることで、原子核の形や運動の様子を間接的に読み取ることができます。
例えば、原子核が一つのかたまりとして回転している場合には「回転バンド」と呼ばれる特徴的なエネルギーの並びが現れます。これは、原子核が少し伸びたりつぶれたりしていることを示す手がかりになります。私が行っている理論計算で予測した結果と、実際に得られたγ線のデータを比べて、理論がどこまで原子核を正しく記述できているのかを検証します。この分野では、理論研究者と実験研究者が連携し、国内外で共同研究が盛んに進められています。
最新の成果：原子核の形の共存と二重β崩壊
従来は、1つの原子核の形は1つだろうと考えられていましたが、実際には球型やミカン型など複数の形をとり、それらが量子力学的に混ざり合うことがあります。この「形の共存」を正しく扱うことは、原子核を精密に理解するうえで重要です。
私が注目しているのが「原子核の形の共存」と「二重β崩壊」の関係です。β崩壊とは、原子核の中で中性子が陽子に変わったり、陽子が中性子に変わったりする現象で、二重β崩壊では、その現象が二つ同時に起こります。二重β崩壊は物理学の基本法則に関わる重要な研究対象として、長年注目されてきました。そこで、私は異なる形の原子核が量子力学的に混ざり合う効果を取り入れた、新たな理論的枠組みを独自に構築しました。それを用いてレモン型の原子核が、二重β崩壊によって別の原子核へ変わる過程を詳しく解析した結果、崩壊後の原子核では球型とミカン型が共存していることが分かりました。
さらに二重β崩壊には、ニュートリノを放出する反応と、放出しない反応があります。後者は「ニュートリノレス二重β崩壊」と呼ばれ、実験ではまだ観測されていません。もし将来観測されれば、原子核の構造をより精密に理解するうえで重要な手がかりとなり、私が着想・構築した理論的枠組みの有効性を検証する機
会にもなります。
最近の興味は「洋ナシ型」
最近注目しているのが、片側に偏った非対称な「洋ナシ型」です。洋ナシ型の変形そのものは多くの原子核で見られますが、安定に存在する例はほんの2、3種類です。さらに、理論計算では「バナナ型」と表現できるような変形も予測されています。私はAI（人工知能）を用いた計算手法も取り入れ、未知の原子核の形を予測する研究を進めています。原子核の形は一つに固定されているとは限りません。複数の形が重ね合さった結果、観測の仕方によっては、見かけ上は球に近い対称的な姿として現れることもあります。もし原子核のすぐそばに立って一緒に回転しながら見ることができたなら、さまざまな変形が見えるはずです。
宇宙のはじまりともつながる
この宇宙の物質はいったいどのようにして出来上がってきたのか、成り立ちをどのように理論で記述するとよいのか。物理学の基本的な問題に答えるために、素粒子物理や原子核物理の研究が進められ、「標準模型」と呼ばれる理論をより厳密にしようとしています。β崩壊や二重β崩壊を正しく理解することは、現在の物質がどのように形成されてきたのかを読み解く手がかりになります。また、ニュートリノレス二重β崩壊のような現象を探ることは、「標準模型」を超える新しい物理を考えるうえでも重要です。小さな原子核の研究は、大きな宇宙の歴史を読み解く手がかりになります。
研究の心構え
私は研究において、あまり感情の波を大きくしないように意識しています。良い結果が出たら嬉しいですが一喜一憂はしない。うまくいかなくても特に落ち込んだり悩んだりせずに、別の方法を試すように、淡々と研究を進めています。自然体で物理と向き合っている感じでしょうか。
自分の気持ちに正直に従って、「本当にこれがやりたい」「興味がある」と思えることに向き合うことをお勧めします。自分で選んだ道で、さまざまな可能性を広げてほしいです。
参考論文：
Kosuke Nomura, Configuration mixing effects on neutrinoless ββ-decay nuclear matrix elements, Physics Letters B 871（2025）139995.
https://doi.org/10.1016/j.physletb.2025.139995
野村 昂亮 准教授
大阪府出身。東京大学卒。ドイツ、フランス、クロアチアなどで10年以上の研究生活を経て、2023年より北大。趣味は旅行、車の運転。
理学部広報誌「彩」第14号（2026年8月発行）掲載。＞理学部 広報・刊行物
※肩書、所属は広報誌発行当時のものです。