「待っていれば、絶対に来る」。2012年8月、3個目の113番元素の合成を確認したときの気持ちを尋ねると、森田浩介 准主任研究員はそう答えた。それは、30年近く超重元素の合成に取り組んできた者だけが口にできる言葉だろう。ここに至るまでの長い軌跡を振り返ってみよう。
　「1984年に私が理研に入ったとき、加速器“リングサイクロトロン”の建設が進んでいました。私は、そのリングサイクロトロンを使って新しい超重元素を合成するために採用されたのです。実は、超重元素の合成についてよく知らず、こんなに難しいとは思っていませんでした」と森田准主任研究員。
　超重元素とは、原子番号104番のラザホージウム（Rf）以降の重い元素をいう（図1）。原子核は陽子と中性子で構成されており、陽子の数が原子番号、陽子と中性子の数の合計が質量数で、質量数は元素記号の左肩に示す。自然界に安定して存在する元素は原子番号92番のウラン（U）までで、93番以降の重い元素は加速器を使って人工的に合成することでその存在が確認されてきた。原子番号が大きくなるほどプラスの電荷を持つ陽子同士の反発が強くなり、合成が難しくなる。1984年当時、合成に成功していたのは109番のマイトネリウム（Mt）まで。110番より重い元素を合成することが、森田准主任研究員に課せられたミッションだった。
　「超重元素は、加速器で加速した原子核のビームを標的の原子核に衝突させ、核融合を起こすことで合成します。私はまず、ビームの原子核や、ビームによってはじき出された標的の原子核、ビームと標的の原子核の一部が融合した不要な生成物などを取り除き、目的の原子核だけを効率よく確実に分離し、半導体検出器に導くための装置の開発に取り組みました。それが気体充塡型反跳核分離装置“GARIS（ガリス）”です」
　リングサイクロトロンは1986年12月に完成。GARISをその下流に設置し、翌年から超重元素探索の準備実験を開始した。しかし、スムーズな滑り出しとはいかなかった。「リングサイクロトロンを利用できる時間が少なかった上に、原子核ビームの強度が弱く、超重元素を合成できる状態ではなかったのです。それでもできることを細々とやっていました」

　幸運は突然やって来た。「新たに超伝導リングサイクロトロン（SRC）を建設することになり、GARISのある部屋がビームの通路になるため、GARISを移動しなければならなくなったのです。その機会にGARISを重イオン線形加速器RILAC（ライラック）の下流に移動しました（図2）。それまではRILACから取り出されるビームではエネルギー不足のため、超重元素の合成は不可能でした。ところがSRC計画の必要性から、エネルギーの増強のための改良がなされ、RILACでの超重元素合成が可能になったのです。またGARISの改良も行い、性能が大幅に向上しました」と森田准主任研究員。「こうして本格的に超重元素の探索実験が始まりました。2001年のことです」
　2001年当時、超重元素の合成は原子番号112番まで進んでおり、107番から112番までの元素はすべて、ドイツ重イオン科学研究所（GSI）によって合成された。森田准主任研究員らは、GSIが合成した元素の追試から始めた。すると、わずか1週間で108番元素を10個合成することに成功。110番の合成にも成功し、さらに111番を50日間で14個合成した。「私たちには新しい超重元素を合成する能力が十分あると確信し、2003年9月5日から113番元素の合成実験を開始しました」
　112番の追試を飛ばしたのは、GSIが113番の合成実験を8月から始めたという情報が入ってきたからだ。GSIは113番元素の合成を確認できないまま、11月に実験を終了。森田准主任研究員らも年末まで実験を続けたが、113番元素の合成は確認できなかった。
　次の実験開始は2004年4月。113番ではなく、あえて112番の合成を行った。すると、約1ヶ月間で2個の合成に成功。「GSIは4年かけて2個でした。私たちはGSIの能力を確実に超えている。必ず113番元素を合成できると確信しました」

　2004年6月、リングサイクロトロンが故障。これが思わぬ幸運をもたらした。RILACは使えたので、9月から予定されていた超重元素の探索実験を7月から行うことになったのだ。
　そして2004年7月23日、113番元素の合成を確認した。原子番号30、質量数70の亜鉛（⁷⁰Zn）の原子核をRILACで光速の10％にまで加速させたビームを、原子番号83、質量数209のビスマス（²⁰⁹Bi）の標的に照射。その結果、²⁰⁹Biと⁷⁰Znが核融合を起こし、原子番号113、質量数278の元素²⁷⁸113が合成されたのだ（タイトル図）。
　「2004年7月23日の午後6時55分でした。“今日はこれで帰ります”と言って計測室を出ようとした研究員の森本幸司さんが突然、“森田さん！ これ見てください！”と叫んだのです。“本当かよ？”というのが正直な気持ちでした」と森田准主任研究員はその瞬間を振り返る。半導体検出器は自動解析を行っていて、113番元素を捉えるとコンピュータの画面に表示されるようになっていた。「実はエラーも多かったので、落ち着け、間違いかもしれない、と自分に言い聞かせました。森本さんに原子核が崩壊を始める時間と放出するエネルギーを解析してもらおうとしたのですが、森本さんも私も手が震えてキーボードが打てませんでした。そこで、すでに帰宅していた研究員の加治大哉（かじ だいや）さんに来てもらい、解析してもらったのです。間違いなく113番元素だと分かったときは鳥肌が立ちましたね」

　2005年4月2日、2個目の113番元素の合成に成功した。そして2006年、国際純正・応用化学連合（IUPAC）と国際純粋・応用物理学連合（IUPAP）の合同作業部会（JWP）から、“新元素を発見したグループは申し出よ”というコール（呼び掛け）があった。JWPはIUPACとIUPAPが推薦した6人で構成され、数年に一度コールを出し、誰が新元素を発見したのかを審議し優先権を認定する。優先権が認定されると、新元素に名前を付けることができる。
　もちろん森田准主任研究員たちは名乗りを上げた。しかし、113番元素発見の優先権は認められなかった。「2個では観測数が少ないこと、また、113番元素の崩壊過程は2タイプあるのに一方だけでは合成の証拠としては不十分ということでした」
　合成した²⁷⁸113は2個とも、α粒子（中性子2個と陽子2個で構成されるヘリウム原子核）を放出するα崩壊を4回繰り返し、原子番号111のレントゲニウム（²⁷⁴Rg）、109のマイトネリウム（²⁷⁰Mt）、107のボーリウム（²⁶⁶Bh）、105のドブニウム（²⁶²Db）へと崩壊。その後、²⁶²Dbは自発核分裂を起こして2個の原子核に分裂した（タイトル図）。
　「新元素の合成を証明するには、その元素が崩壊連鎖を起こして既知の原子核に到達することが重要です。私たちは、²⁶⁶Bhは既知の原子核だから、そこからさかのぼることで合成された元素は²⁷⁸113であると主張しました。しかしJWPは、²⁶⁶Bhは1例しか報告がないので既知の原子核とはいえない、また²⁶²Dbは33％の確率で自発核分裂を起こし、67％の確率でα崩壊を起こすことが知られているにもかかわらず2例とも自発核分裂なのはおかしい、と指摘してきました。ならば、まずは²⁶⁶Bhを直接合成し、自分たちの手で既知の原子核であることを証明しようと考えました」
　森田准主任研究員らは2008年から2009年にかけて、²⁶⁶Bhを約20個、直接合成することに成功。それら²⁶⁶Bh が、²⁷⁸113で観測されたのと同じ時間をかけて同じエネルギーを放出してα崩壊すること、その結果できた²⁶²Dbが33％の確率で自発核分裂を、67％の確率でα崩壊を起こすことを確認し、²⁶⁶Bhが既知の原子核であることを証明した。
　そして2012年5月、JWPから再びコールが出た。森田准主任研究員らは、²⁶⁶Bhを直接合成し既知の原子核であることを証明したことなどを追加の証拠として再度、113番元素発見の優先権を主張した。現在審議中である。

　「私たちに113番元素発見の優先権があると確信しています。しかし、優先権獲得には観測数を増やすことも重要です。そこで、113番元素の合成実験を続けていました」
　そして2012年8月12日、ついに3個目の113番元素の合成に成功した。明らかになったのは8月18日だ。「自動解析を擦り抜けていたのです。そういうこともあるため、私たちはすべてのデータについてオフラインでの解析も行っています。お盆休みでたまった1週間分のデータを東京理科大学の大学院生の住田貴之君が解析していました。113番元素らしいデータがあり、α崩壊を4回起こしていることが分かったところで、“森田さん！ 何か見えています！”と私の居室に電話してきました。計測室に駆け付け、5回目の崩壊がどうなっているかを調べると、自発核分裂を起こしていない。さらに2回のα崩壊を起こし、既知の原子核である原子番号103のローレンシウム（²⁵⁸Lr）、原子番号101のメンデレビウム（²⁵⁴Md）に到達していたのです（タイトル図）。それが分かったとき、狂喜乱舞しました。2004年と2005年の2個と違う、まさに、観測したかった崩壊経路だったからです」
　実験開始からビーム照射日数80日で1個目、さらに100日で2個目の合成が確認された。しかし、3個目までは350日かかった。不安にならなかったのだろうか。「不安はありませんでした」と森田准主任研究員。「113番元素の合成確率は、原子核ビームの速度で決まります。合成確率が最大になる速度を正確に予測することが一番重要です。私たちは、108番、110番、111番元素合成の経験を踏まえて速度を決め、2003年の実験開始からそれを変えていません。もともと200日ビームを照射して、ようやく1個くらい合成できる確率でした。1個目と2個目が100日ほどで出たのは、ラッキーだっただけ。3個目が300日を超えて出なくても、何も不思議なことはありません。待っていれば、絶対に来るのです」
　この成果はすぐに論文にまとめられ、2012年9月27日、日本物理学会の英文誌『Journal of the Physical Society of Japan（JPSJ）』にオンライン掲載された。プレス発表も行い、翌日の新聞各紙には大きな見出しが踊った。

　今回は3個目ということに加えて、新しい崩壊過程を観測できたことで、113番元素合成の有力な証拠固めとなった。「コールはすでに締め切られていますが、JWPに“この証拠も加味して審議してください”というメールを送りました」
　ロシアのドブナ研究所と米国のローレンス・リバモア研究所の共同研究グループも113番元素発見の優先権を主張している。彼らは、118番元素の合成に成功し、また117番、115番、113番と連鎖崩壊していく過程を捉えたから4個の元素に対して権利がある、というのだ。「それらは既知の原子核に到達していません。しかし最近、既知の原子核に到達していないにもかかわらず、116番と114番を合成した米ロの共同研究グループにその優先権が認められました。その論法でいくと、113番の優先権も彼らに認められる可能性もあります。そうなると、どちらが早いかです。私たちは2009年に²⁶⁶Bhが既知の原子核であることを示した段階で113番の合成が確定したと主張しています。米ロのグループが117番を合成し、113番の合成を確定させたとするのは2011年ですから、私たちの方が早い。あとは、JWPがどう判断するかです。2013年中には結論が出るでしょう」
　なぜ森田准主任研究員は113番元素の合成に挑み続けたのだろうか。「現在、元素の種類は120もありません。新しい元素が一つ増えることは、化学や物理学にとって大きな出来事です。さらに優先権を獲得できれば、皆さんが中学校や高校で必ず目にする周期表に、初めて日本発の名前が載るのです」
　超重元素の探索実験は、米国、ロシア、ドイツが先行してきた。後発の日本がなぜ113番元素の合成を実現できたのだろうか。「ビーム強度が強く安定していること。分離装置の性能が高いこと。この二つに加えて、研究者が楽天的で、待ち続けることができたこと。これも大きいでしょうね」

　「113番元素の合成実験は2012年10月1日をもって終了しました。次に行きますよ」と森田准主任研究員。「次は119番です」。119番を合成するには、ウラン（U）やプルトニウム（Pu）などを標的に用いる必要がある。さらに、114〜118番の元素合成ではカルシウム（Ca）のビームが使われていたが、119番の合成にはチタン（Ti）やクロム（Cr）のビームが必要だと考えられている。「私たちにとってすべてが新しい挑戦で、基本的なことから勉強し直す必要があります。でも、自信はあります。119番元素合成に対応できるGARIS-IIも開発済みです」（図3）
　「120番、121番……と、もっと先に行きたい。元素の存在限界を見極めたい」と森田准主任研究員。それには2個の原子核を完全に融合させるのではなく、部分的に融合させる核子（かくし）移行と呼ばれる新しい手法が必要となる。「元素にはさまざまな同位体があり、現在3000種もの原子核が知られています。横軸に中性子の数、縦軸に陽子の数で分類した核図表を見ると、まだ合成されていない空白域も残されています。1個1個埋めていきたいですね。周期表を拡大し、核図表を埋めていくことで見えてくる世界があるはずです」。森田准主任研究員の挑戦はまだ終わらない。