物理学実験Ⅲ シンチレーション検出器を用いた 放射線計測 理学研究科物理学専攻 中間エネルギー核物理研究室 http://nuclear.phys.tohoku.ac.jp/expphys3/ 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 1 中間エネルギー核物理研究室 2 スタッフ 前田和茂、神田浩樹 大学院生 木村千草、藤井隆穂、山本郁也、金子勇介（TA)、松原正夫 研究内容 高エネルギー光子と原子核の相互作用による中間子の生成 原子核内におけるバリオン・バリオン相互作用の研究 ストレンジネス核物理 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 研究内容 3 中間エネルギー核物理グループでは，加速器を用いた中間エ ネルギー領域（0.5-1 GeV）の核構造，核反応の実験的研究を 行っている。 (1) 電磁相互作用を用いた原子核構造の研究 核内核子間相互作用 高エネルギー電子・光子 原子核内における核子励起状態 と原子核の相互作用による 中間子の生成 中間子生成機構 中性子捕獲反応からの 中間子･原子核相互作用 γ線測定およびその逆反応 原子核内ストレンジネス (2) 実験装置の開発 液体水素，重水素標的 磁気スペクトロメータ トリガー検出器，中性子検出器 (NKS2)の開発と改良 バーテックス検出器 光子標識化装置 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 東北大学核理研、CYRIC、SPring-8、J-PARC 光で重水素を探る 4 最もシンプルな原子核を最もシンプルなプローブで探 る H=r(r)f(r) – j(r)A(r) r(r): 標的の電荷密度 j(r): 標的の電流密度 f(r): プローブによるポテンシャル A(r): プローブによるベクトルポテンシャル j(r) = jC(r)+jS(r)+jMEC(r)+jD(r) 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 5 M=E1 重陽子 1.48fm nucl-th/9603035 nucl-th/0207085 n nucl-th/0207013 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス p p 1 GeV領域の光子の性質 6 h c : 197 MeV ×fm 1 a = e / hc : 137 2 GeV領域の光反応における意味： 波長は1 fm 程度 → 核子程度のサイズに敏感 相互作用は比較的小さい → 始状態相互作用は無視できる 重陽子は2核子がゆるく（結合エネルギーは2.3 MeV, 核子間 距離は 1.5 fm）結合した原子核 ← インパクト近似（個々の核子のみが反応に参加するという近 似）が十分に成り立つと期待 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス Δ粒子の二重生成 7 ● ■ □ △ this work Asai (TAGX) Wada (SAPHIR, PANIC’96) Shinozaki (TAGX, private communication) ー Gomez ■ A.Fix (very preliminary) 過去のデータ、理論との 食い違い！ 最も簡単な原子核である 重水素はまだまだ研究 対象としての価値を持つ （左）陽子と中性子がパイ中間子で接着 された重陽子に高エネルギー光を照射。 （中）陽子と中性子が「熱い」状態に変化。 （右）陽子と中性子がそれぞれパイ中間 子を放出して「冷たい」状態に戻る。 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 8 東北大学電子光理学研究センター 1.2-GeV STretcher Booster Ring (STB Ring) STB Ring 電子を1.2 GeVまで加速できるシンクロトロン。原子核物理学の研究には、200 MeV 連続電子ビームもしくは 1.2 GeV 標識化光子ビームを供給できる。 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 中性K中間子スペクトロメーター2 (NKS2) 原子核物理学研究室ストレンジネス グループと共同で開発 電子光センターの光子ビームを用いた 光中間子生成反応の研究 荷電粒子の磁場中での飛跡と速度を 計測して光と標的との反応を同定 位置測定 速度測定 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 9 July, 2006 物理学実験Ⅲでの実験の内容 放射線と放射線測定器 放射線と物質の相互作用 放射線検出器 各種のシンチレーター 信号の定量化 元素を変える・元素を作る 原子核反応 原子核崩壊 加速器を用いて放射性元素を作る サイクロトロンでの陽子の照射 CYRIC９３０サイクロトロンからの陽子ビームを照射して鉄やチタンを核変換 放射性元素からのγ線による同定 放射線崩壊の測定 陽子と原子核の反応確率から原子核のサイズを測定 放射線の利用 放射線源による用途の違い/何がわかるか？ ポジトロン・ポジトロニウム 応用例の紹介（PETシミュレータ） 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 10 原子核反応と原子核のサイズ 原子核のサイズ：r=1.2×10-15×A1/3 11 (m) 顕微鏡で原子核(～10-15m)は見られる？ 光学顕微鏡：NO←可視光の波長(10-6m)が制限 陽子数： N p 電子顕微鏡：NO←電子の物質波の波長(1MeV電顕で10-12m)が 制限 N t arget s t arget : S = N product : N p STM、AFM：NO←プローブの先端が原子(10-10Nm)なので product S Þ s t arget = N N より波長の短いプローブ←高い運動量(>100MeV/c)の p t arget 粒子（光、電子、陽子、、、）を使用 跳ね返ったプローブを検出・測定して空間的に再構成： 高運動量の粒子の検出器が大がかりに 陽子に衝突して原子核反応の結果生成した放射性原子核の 個数を測定：いくらかの仮定を導入することによって、1桁の 精度では測定可能 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 原子核物理学「実験」 12 素粒子・原子核物理学の実験は加速器を用いた実験と加速器 を用いない実験に大別されます。 非加速器実験（放射性同位元素、宇宙線、原子炉） 素粒子・原子核物理学黎明期の重要な発見に寄与 加速器では到達できない高エネルギー粒子の観測（宇宙線） コンパクトな実験（放射性同位元素） 加速器実験 放射線（Ｘ線、陰極線）の発見に寄与 素粒子・原子核物理学の爆発的な発展 大規模な実験 この実験ではCYRICのサイクロトロンで加速した陽子ビームを 使用し、実験を自分たちの手でコントロールする基礎的な加速 器実験を行ないます。 その後は放射性同位元素の測定を地道に行ないます。 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 13 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 実験の進行・レポート・発表 14 実験の進行 基本的にCYRICで実験を行ないますが、毎回一旦は607号室もしくは 501号室に集合します。 実験は2ないし3グループに分かれて行ないます。 レポート グループ毎に1部のレポートをまとめます。 グループ内での分担方法はお任せします。 レポート提出(発表） 第9回目にレポートを提出してもらいます。 その際に、レポートについての簡単な説明をプレゼンテーションしてもらい ます。 プレゼンテーションにパワーポイントを用いる必要はありません。 プレゼンテーションの内容やレポートの内容に対して簡単な質疑応答を 行ないます。 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 実験スケジュール 第１回 第５回 15 全体ガイダンス・組分け 陽子と鉄原子核の反応と反応 実験内容の説明(607号室に移動し 断面積 て行う） γ線スペクトルよりRIとRIを生成 レポートの書き方・実験ノートの 書き方 した原子核反応の同定 放射線と物質との相互作用 RIのγ線強度測定（2回目） 放射線検出器の仕組み 第６回 シンチレーションカウンタの自作 RIのγ線強度測定（3回目） 第２回 CYRICでのRI製造実験 陽子と鉄の反応断面積の測定 第３回 反応断面積と原子核のサイズ γ線と物質の相互作用 第７回 シンチレーションカウンタの信号 RI のγ線強度測定（4回目） 処理と計数率計測 SCAの操作 同時計数回路 第４回 第８回 製造したRIのγ線エネルギー 粒子と反粒子 スペクトルの測定 RI のγ線強度測定（5回目） RI のγ線強度測定（1回目） 第９回 レポート提出、質疑応答 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 放射線を計測する 16 原子核・素粒子物理学実験における基礎的な技術。 原子核や素粒子の反応の測定のために、反応によっ て生成した各種の高エネルギー粒子（＝電離放射線） を検出し、その性質を測定する。 目では見えない放射線を（効率良く・精度良く）検出す るためのさまざまな工夫がなされている。 検出した信号を電気的（最終的には数値的）に取り扱 う各種の装置を利用している。 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 原子核物理学の実験的研究 17 原子核の性質（構造・状態・反応）を実験的に調べる物理学の 一分野。原子核の自身の崩壊によって、あるいは、他の原子核 や粒子を衝突させることによって、放出された原子核や粒子を 検出してその情報から元の原子核の構造や反応を調べる。 顕微鏡観察にたとえると、原子核という試料に、他の原子核や 素粒子を光として照射し、その透過、反射、あるいは発光した光 をレンズで集光していることに当たる。顕微鏡のレンズや顕微 鏡を覗く目に相当するのが、放射線検出器である。 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス シンチレーション検出器 18 シンチレーションという現象を利用して放射線を検出する装置。放射線と反 応して発光するシンチレーターと呼ばれる物質と光を電気信号に変換する検 出部を組み合わせて作る。 シンチレーターには、有機物あるいは無機物のいろいろな種類のものがあり、 それぞれの性質を生かして各種の用途に用いられる。 検出部としては、光電子増倍管や光ダイオードなどが用いられている。 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 放射性元素・放射線源 19 放射線を出す物質には天然に存在するものと人工的 に製造するものがある。 原子核に他の原子核を衝突させて反応を起こし、別の 種類の原子核を生成することができる。 この実験では、CYRIC のサイクロトロンという加速装 置を用いて陽子（水素原子核）を光速の２０%という速 度まで加速して、鉄やバナジウムの原子核に衝突させ ることで、別種の原子核を生成する。 これらの新しく生成した原子核から放出される放射線 の性質から、種類を同定することができる。 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 放射線（計測）の応用 高い透過力（主に高エネルギー光子） 非破壊検査 人体の断層撮影 高い電離力（主に荷電粒子） 腫瘍の治療 物質の構造の強化 滅菌 RIの一定の半減期 年代測定 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 20 放射線の光と影 21 放射線の利用はもちろん良いことずくめではない。 透過力が高い+高エネルギー⇒人体内部に深刻な損 傷をもたらす 放射線発見初期の物理学者には白血病など放射線に よる障害で死んだ人が多い。 この実験で扱う放射線の量は、人体にほとんど影響が 無い程度なので気にする必要はないが、キケンなもの を扱っているという認識は持っていてもらいたい。 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 研究内容 光子・電子による原子核の研究 光子は電流に応答する性質を持っている。この性質 を利用し，原子核内の電流（陽子が運動することによ る電流や，スピンによる磁化電流など）の空間分布を 精密に調べることができる。さらに、電流の空間分布 は原子核の構造を反映するので，原子核，及びその 内部を詳細に調べることができる。電子も同様に，仮 想光子を原子核との間で交換する。仮想光子は，原子 核の電流だけではなく電荷の空間分布を調べることが できる特徴がある。中間エネルギー研究室では，この 光子や電子の優れた特徴を生かし，いろいろな波長の 光子（仮想光子も含めて）を使いながら原子核研究を 進めている。光子の波長を変えることで，違った空間 分解能で原子核に迫ることができる。 現在の主な研 究課題は，電子線加速器を用いた中間子，核子共鳴 生成の研究である。 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 22 Cyclotron [email protected] 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 23 56Co 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 24 56Co beta decay 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 25 48V 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 26 48V beta decay 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 27 28 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス pn reaction 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス 29 反粒子の性質 30 反粒子は、「粒子」と電荷が反対でスピンや質量などの性質の 全く同じ粒子である。例：陽電子-電子、反陽子-陽子 粒子と反粒子が衝突すると、対消滅してエネルギーの塊となる。 エネルギーの塊からは、各種の保存則を満足させながら粒子 （反粒子も含む）へと転換する。 この実験では最も手軽に利用できる反粒子である陽電子（ポジ トロニウム）を用いて性質を調べる。 反物質の消滅 QuickTimeý Dz YUV420 ÉRÅ[Éf ÉbÉN êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ Ç• ÅB 2015/9/30 物理学実験Ⅲ ガイダンス
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