20-40MeV領域における4He光分解断面積

「少数粒子系物理の現状と今後の展望」研究会
2008年12月23日－25日＠RCNP
20-40MeV領域における4He光分解断面積
大阪大学核物理研究センター
嶋達志





Introductionは省きます
データの現状
実験のキーポイント～何が精度を決めるか
28~38MeVでの新しい結果＠ニュースバル（兵庫県立大）
まとめ＋今後の展望
Collaborators
H. Utsunomiya, H. Akimune
Department of Physics, Konan University
Y. Nagai
Nuclear Science and Engineering Directorate,
Japan Atomic Energy Agency
T. Mochizuki, S. Miyamoto, K. Horikawa
Laboratory for Advanced Science and Technology for Industry,
University of Hyogo
M. Fujiwara
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University
T. Hayakawa, T. Shizuma
Kansai Photon Science Institute, Japan Atomic Energy Agency
Previous works; 4He(g,p)3H & 3H(p,g)4He
(detailed balance)
PRC72, 044004 (2005)
Cross Section [mb]
●
RCNP-AIST2005
2
1
▲■▼◆
4
He(g,p)3H
○□△▽ 3H(p,g)4He
◇＋×
0
20
25
ビーム、検出器が同じ
30
Eg [MeV]
35
40
◆
▼
▲
■
Gorbunov 62
Arkatov 78
Bernabei 88
Hoorebeke 93
＋
×
◇
△
▽
Gardner 62
Gemmell 62
Meyerhof 70
McBroom 82
Calarco 83
○ Feldman 90
□ Hahn 95
Perry&Bame1955にnormalize
同一グループ
Previous works; 4He(g,n)3He & 3He(n,g)4He
(detailed balance)
Cross Section [mb]
RCNP-AIST2005
Lund-Glasgow2005
2
◆
▲
■
▼
●
1
▲■◆＋
○△
0
20
25
30
Eg [MeV]
4
He(g,n)3He
3
He(n,g)4He
35
40
Gorbunov 62
Berman 71
Malcom 73
Irish 73
Nilsson2005
△ Ward 81
○ Komar 93
Photodisintegration of 4He have been studied by means of
monochromatic g, bremsstrahlung, radiative capture...
4
He(g,p)3H
Cross Section [mb]
2
1
0
4
He(g,n)3He
2
1
0
20
30
40
Eg [MeV]
50
実験のキーポイント
ビームによるターゲット損傷
 有効ターゲット厚（エネルギーロス）
 高エネルギーγ線（>20MeV）に対する検出効率
 3H(p,n)3He (s=540mb@3MeV) によるバックグラウンド

3H(p,g)4He
中性子量の決定精度
 有効ターゲット厚（散乱効果）
 高エネルギーγ線（>20MeV）に対する検出効率
 散乱中性子によるバックグラウンド

3He(n,g)4He
4He(g,p)3H
制動放射→バックグラウンドγ線
 荷電粒子検出器の閾値、立体角

制動放射→バックグラウンドγ線
 低速中性子に対する検出効率
 有効ターゲット厚（液体ターゲットの場合）

4He(g,n)3He
3H(p,g)4He
g-ray spectrum (Perry & Bame, PR99, 1368 (1955))
Energy distributions of bremsstrahlung photons
Bremsstrahlung,
Annihilation g
Energy spectrum of photo-proton
（Si半導体検出器）
e-, e+
e-,e+ +proton
※ Tp =6MeV  Eg =24MeV
Laser Compton-scattered g-ray ;
Count [arb. unit]
(GSO scintillator spectrum)
200
 laser =1064nm, Ee = 0.976GeV, Ie =83mA
Plaser=3.53W
Plaser=0W
100
0
5
10
15
20
Pulse Height [MeV]
Lund-Glasgow experiment ; 4He(g,n)3He
Nilsson et al., PLB626, 65 (2005), PRC75, 014007 (2007)
MAX-lab Tagged photon + Liquid He target + Neutron TOF
Radiator
e-
g
Liq. He target
n
Tagger
Magnet
Liq. scintillator
GEANT3 simulation :
Detection threshold : En=4.5MeV
Attenuation-1
Eg = 26MeV
Cross Section [mb]
Scattering
Detection Efficiency
Lund2007
2
1
0
20
25
30
35
40
Eg [MeV]
45
50
キーポイント: 系統誤差を抑える
Y p  e p  N 4 He  s   g  e p  N 4 He  s 
断面積
s
Yp

eg
e p  N 4 He Yg
Yg
eg
Yp : 反応イールド
Yg : ガンマ線計数
ep : 反応イベントの検出効率
eg : ガンマ線光子の検出効率
N4He : 標的4He核密度
 バックグラウンド（ガンマ線、中性子、電子）の発生量を減らす Yp, Yg
 入射ガンマ線光子の個数を正しく数える  Yg
 有効ターゲット厚を正確に決める  N4He
 検出効率のあいまいさを抑える  ep, eg
 残留バックグラウンドを正確に識別・除去する  Yp
実験上の工夫：
 バックグラウンド（ガンマ線、中性子、電子）の発生量を減らす Yp, Yg
 順反応を測定、単色ガンマ線を使用
 入射ガンマ線光子の個数を正しく数える  Yg
 薄いターゲットを使用、ガンマ線強度をリアルタイムに測定
 有効ターゲット厚を正確に決める  N4He
 ガスターゲットを使用、反応点の位置を測定 (event by event)
 検出効率のあいまいさを抑える  ep, eg  100%の検出効率で測定
 残留バックグラウンドを正確に除去する  Yp
 反応生成物に対して粒子識別をおこなう、
反応粒子の発生点、エネルギー、運動方向をすべて観測

Consistency のチェック
Experiment with quasi-monochromatic g
at NewSUBARU
Laser Compton-scattered g-ray :
Eg = 16 ~ 40MeV, g ~4×104 /sec, FWHM~9%, P~100%
Time Projection Chamber
T. Kii, T. Shima, T. Baba, Y. Nagai, NIM A552 (2005) 329
Target gas :
He + CH4 (CD4)
· W ~ 4 , e 100% ; high efficiency
· track shape, dE/dx  event ID, ds/dW, asymmetry
Systematic errors
s
Yp
e p  N 4He
1

g
ep (detector efficiency) = 98 ~ 99%  de = 1 ~ 2%
N4He (target thickness) ; dN = 1%
( effective volume ~ 1%, gas density << 1% )
g (g-ray flux)
; dg ~ 2%
TOTAL ~ 4%
Measurement of g-ray intensity with
pile-up analysis
BGO pulse-height spectrum
(eg > 99.8%)
pulse rate; fpulse = 10kHz
pulse width ;
<10ns
Eg= 36MeV Laser=1.5W
g = 3000~104 /sec
BGO ; f2”×6”
shaping time ; 1ms
2500
F.G.
B.G.
Net
Count
2000
# of photons per pulse
→ Poisson distribution
1500
1000
Multiplicity Nphoton ;
500
0
500
1000
1500
Pulse Height
2000
g = Nphoton× fpulse
dg / g ~ 2%
一光子応答関数とポアソン分布の組み合わせによるパイルアップ解析（例）
Eg= 36MeV
Eg= 36MeV
8000
2000
M=1.52
M=5.26
6000
Count
Count
1500
1000
2000
500
0
4000
500
1000
1500
Pulse Height
（レーザー1.5W）
2000
0
200
400
600
800
Pulse Height
（レーザー0.5W）
1000
カイ二乗フィッティングによる平均光子数Nphoton の決定精度
Eg= 36MeV
Nphoton=5.26
30
Reduced 2
25
2-min.=7.605 at
Nphoton=5.26 (1s=0.10)
20
15
10
5
4.8
5
5.2
Nphoton
5.4
Nphoton = 5.26±0.10 (±1.9%)
5.6
Target thickness (N4He)
= Gas density (r) × TPC effective length (L )
Gas density (r)  Pressure (P ), Temperature (T )
dP = 0.5 Torr at 1000 Torr (0.05%)
dT = 1 K at 300 K (0.3%)
Time variation (10000s) : Dr/r < 0.05%
dr/r (absolute) = 0.3 %
Distribution of vertex position
in drift direction (= g-ray beam direction)
250
Count
200
Effective volume
150
100
50
0
100
200
Drift Length [mm]
300
(z-coordinate)
dL ~ 2 mm  dL/L ~1%
 dN/N ~1 %
Event Selection
true  background

Vertex position ;

Number of tracks ; (g,p)  (g,n)  (g,2a)

Track length ;
p, d, 3He, 4He 

dE/dx ;
p, d  3He, 4He

Track angle ;
two-body decay  multi-body decay
11B, 11C
4He
photodisintegrations
4He(g,p)3H
4He(g,n)3He
12C
x [mm]
photodisintegrations
30
0
g-beam
x [mm]
-30
g-beam
p
11
B
0
50
100
150
12C(g,p)11B
200
250
z [mm]
30
11
C
0
-30
0
50
100
12C(g,n)11C
150
200
250
z [mm]
x [mm]
Three-body decays
30
4He(g,pn)2H
0
g-beam
p
x [mm]
-30
g-beam
d
0
50
100
30
a
0
-30
150
200
250
z [mm]
a
12C(g,2a)4He
a
0
50
100
150
200
250
z [mm]
x [mm]
D(g,n)p
g-beam
30
0
p
-30
0
50
100
150
200
250
z [mm]
Pulse Height Spectrum
4
He(g,p)3H
He(g,n)3He
○
○
Present work
Monte Carlo calc.
(  2=1.11 )
20
10
20
30
40
Pulse Height [channel]
Present work
Monte Carlo calc.
(  2=1.08 )
20
12
C(g,p)11B
12C(g,p)
8011B
0
50
10
20
30
40
Pulse Height [channel]
12
C(g,n)11C
Eg =28MeV
○
○
Present work
Monte Carlo calc.
(  2=1.23 )
60
40
60
50
Eg =28MeV
80
Counts
0
Counts
4He(g,n)3He
10
10
Present work
12C(g,n)11C
Monte Carlo calc.
(  2=1.52 )
40
20
20
0
Eg =28MeV
30
Counts
Counts
4He(g,p)
30 3H
4
Eg =28MeV
5
10
15
20
25
Pulse Height [channel]
30
0
5
10
15
20
Pulse Height [channel]
25
Cross Section [mb]
4He(g,p)3H (preliminary)
2
1
0
20
25
30
35
40
Eg [MeV]
45
50
RCNP-AIST2005 (PRC72, 044004) ; =351nm (3rd), Ee=0.8GeV
● RCNP-NewSUBARU;
=532nm (2nd), Ee=0.97GeV
● RCNP-NewSUBARU;
=1064nm (fund.), Ee≤1.46GeV
○ RCNP-NewSUBARU;
=532nm (2nd), Ee=1.06GeV
●
Cross Section [mb]
4He(g,n)3He (preliminary)
2
1
0
20
25
30
35
40
Eg [MeV]
45
50
RCNP-AIST2005 (PRC72, 044004) ; =351nm (3rd), Ee=0.8GeV
● RCNP-NewSUBARU;
=532nm (2nd), Ee=0.97MeV
● RCNP-NewSUBARU;
=1064nm (fund.), Ee≤1.46GeV
○ RCNP-NewSUBARU;
=532nm (2nd), Ee=1.06GeV
●
●
Lund 2005-2007 (PRC75, 014007) ;
tagged photons
4He(g,pn)d
(preliminary)
Cross Section [mb]
0.4
0.3
0.2
Gorbunov1958
Arkatov1969
Balestra1979
RCNP-AIST
RCNP-NewSUBARU (1)
RCNP-NewSUBARU (2)
RCNP-NewSUBARU (3)
Threshold
26.07MeV
0.1
0
28
32
Eg [MeV]
36
40
Cross Section [mb]
D(g,n)p (preliminary)
Skopik 74
Bernabei 86
Leleux 79,85
Michel 89
RCNP-AIST
RCNP-NewSUBARU (1)
RCNP-NewSUBARU (2)
1.2
0.8
0.4
0
10
ENDF/B-VII
Partovi 1964
15
20
25
30
35
Eg [MeV]
Not for normalization, just fire insurance!
40
Consistency
Eg ∝ Elaser · Ee2

３つの異なるガンマ線発生条件で、同一エネルギーでは断面積が一致。

800MeV e- + Nd:YLF 351nm （第３高調波）

976MeV e- + Nd:YVO4 532nm （第２高調波）
e-
+ Nd:YVO4 1064nm （基本波）
（産総研）
（ニュースバル）

1.46GeV

同一エネルギーにおいて、２つの異なるTPC検出器での測定結果が一致。

同時測定による 4He(g,p)3H, 4He(g,n)3He 断面積が一致。（荷電対称）

同時測定による D(g,n)p 断面積が既存のデータ、理論計算と一致。
Cross Section [mb]
Comparison with theory ： 4He(g,n)3He
2
1
0
20
25
30
35
40
Eg [MeV]
45
●○ RCNP-AIST ●●○ RCNP-NewSUBARU
50
● Lund 2005-2007
Trento (Lorentz-Integral-Transform) ; PR C69 044002 (2004)
Bonn (Faddeev-AGS) ; NP A631 210c (1997)
Londergan-Shakin (C.C. Shell Model) ; PRL28 1729 (1972)
まとめ＆今後の展望

２ヶ所の実験施設／３種類のビーム発生条件／２種類の検出器で、
コンシステントな結果が得られた。

ピークエネルギーは30~33MeV付近

最近の少数多体計算とは一致しない。（3Heも？）

2000年以降、実験は２つ、理論計算は１つしか公表されていない。

今後の展望：

4He;

データの不一致の原因を追究 ; MAX-lab および甲南大との相互協力

3He光分解を広いエネルギー範囲で測定
Eg=26MeVのデータを解析中。また、角度分布 (q,f)の導出を計画中。
;
ニュースバルの電子エネルギー範囲を 1~1.5GeVから 0.78~1.5GeVに拡張
⇒ Eg = 10.7~39MeV での測定が可能に。
Strategy
Photon beam:
Detection method:
Tagged photon
Neutron detection
Backscattered-g
Charged-particle detection
NewSUBARU LCS-g + Detector for (g,n) (Konan Univ.)
4 neutron counter
Beam dump (NaI(Tl) detector)
3He
photodisintegration cross sections
3
1
He(g,p)d
● RCNP-AIST
Naito et al.
PR C73 034003 (2006)
Cross Section [mb]
0.5
0
1.5
3
He(g,pp)n
1
Theory:
0.5
Faddeev
0
2
二体力のみ
二体＋三体
Total
1
0
LIT
二体＋三体
5
10
15
20
25
Eg [MeV]
30
35
Angular distributions; 4He(g,p)3H@32MeV
60
He(g,p) counts
0.1
40
20
4
ds/dW [mb/sr]
0.2
0
40
80
120
q c.m. [deg]
q
160
0
30
60
90
120
150
Azimuthal angle  [deg.]
f
180
p-3H angular correlation
Eg(max) =32MeV
dN/dW [str-1]
1600
Experiment
Simulation for 4He(g,p)3H
1200
800
400
0
40
80
120
 p-t [degree]
160
200
Energy calibration (measured with Ge)
g2
Eg 

,
2 2
L 1  g q
4hc
Pulse Height spectra of
45% Ge-detector
0.976GeV, 532nm
0.976GeV, 1064nm
1.220GeV, 1064nm
1.460GeV, 1064nm
400
300
200
(P.H.)
Eg vs P.H.
3000
Channel
Count (arb. u.)
500
Ee
g
me c 2
2000
dEg = 0.7MeV
1000
100
0
at 33MeV
1000
2000
3000
Energy [10keV]
4000
0
10
20
30
Energy [MeV]
standard source
40
Energy distribution
NaI(Tl): 6”f×5”
Collimator: f3mm
Eg(max) = 34MeV
Count
120
Data
Fit
Eg
80
FWHM 8.7%
40
0
8
16
24
Eg [MeV]
32
40
Pulse Height
Interval of drift time signals
Threshold Level
Time
4He(g,n)3He
/ D(g,n)p ; Energy loss spectra
4
He(g,n)3He
D(g,n)p
Monte Carlo calc.
Count
40
30
20
10
0
2
4
6
Energy loss [MeV]
8
10

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