軽い不安定核の共鳴弾性散乱 - kek

軽い不安定核の共鳴弾性散乱
「停止・低速不安定核ビームを用いた核分光研究」
2006 年 3月7, 8 日
九大理
寺西高
z 低エネルギー不安定核ビームによる
軽い不安定核と陽子の共鳴弾性散乱
最近の実験結果
→ 14O* → 13N+p
8Li+p → 9Be* → 8Li+p
13N+p
z 今後の計画
陽子ドリップラインの外側の探索
α散乱
陽子過剰核
中性子過剰核
陽子過剰核と
陽子(α)の共鳴散乱・反応
Γα
陽子スレッショルド小
共鳴B*
スレッショルド近傍の共鳴状態
Γp
C+α
低エネルギー
不安定核ビーム A or C の
反応、散乱を用いる
A+p
B
(共鳴)捕獲反応
共鳴があると断面積が増大。しばしば天体核反応として重要。
A(p,α)C
A(p,γ)B
rp-process の初期段階
例 14O(α,p)17F
C(α,p)A
C(α,γ)B
共鳴弾性散乱
粒子チャンネルが1つだけ開いているとき
今回の主題
A+p → B* → A+p
Γp >> Γα のとき
捕獲反応よりも断面積大
C+α → B* → C+α
Γα >> Γp のとき
共鳴の有無を調べるのに適している
(逆の場合まったく見えない)
中性子過剰核と
陽子の共鳴散乱・反応
中性子スレッショルド小
陽子スレショルド大
レベル密度大
T = Tz+1 状態
の出現
A+p
中性子過剰核 A と陽子の
低エネルギー衝突 A + p
Bの高励起状態を経由
さまざまな反応チャンネルが開く
(p,n), (p,α), (p,d) .....
C+α
アイソスピン Tz+1 状態
レベル密度小
D+n
B
中性子過剰核
A+p スレッショルドの近傍に現れる。
アイソスピン選択則により
A+p に壊れやすい
アイソスピン
T = Tz = N − Z
A+p → B* (T = Tz+1) → A+p
陽子共鳴散乱で見える可能性
共鳴弾性散乱の実例
陽子過剰核 13N+p
中性子過剰核 8Li+p
東大CNS の CRIB による
核子あたり 3 — 4 MeVの低エネルギー不安定核ビーム
陽子過剰核の例
Hot-CNO Cycle 13N(p,γ)14O
14O
13N+p
高温水素燃焼
rp-process の起点
共鳴はすべてわかっているか？
2004年１０月
13N+p (14O*)
J, Γ 未決定
(?)−
共鳴の探索
2+ と 0+の巾が
決まっていない。
0+付近にあるはずの
0− が見つかっていない
天体核反応 (Hot-CNO)
13N(p,γ)14O
1− (5.17) が最も寄与
2+ (6.59) の寄与は?
CRIB (CNS low-energy Radioactive-Ion Beam) separator 2000~
Dipole
Magnet
0
5m
D
Primar
y
beam f
Production Target
rom AV
F cyclo
tron
Gas target cell with window foils
F1
D
Secondary beam
E B
Momentumdispersive focal plane
Bρ (= P/q) selection
F2
Wien filter section
velocity selection
Achromatic focal plane
small beam spot φ 5mm (FWHM)
F3
Final focal plane
P/q =const. & v = const. Æ m/q selection
(Z can be separated by energy-loss at degrader)
共鳴弾性散乱の測定方法 (不安定核ビーム)
CRIB のビームを陽子標的にあてる。反跳陽子を検出し断面積を測る。
加速器のエネルギーを変えずに標的中の
ビーム・エネルギーロスを利用する (厚い標的法)
２次ビーム陽子標的(ポリエチレン)
反跳陽子
ECM high
Silicon
Detector
ECM low
ポテンシャル散乱＋共鳴散乱
干渉パターン
散乱角度は重心系で
後方(180 度近傍)を測定する
ことになる。
dσ/dΩ
陽子スペクトル → 励起関数
Eres, Γ & Jπ
重心エネルギー ECM ∝ Ep
Setup for A+p scattering
6.5 cm
72.2 cm
Radioactive beam A
proton
0°
3−4 MeV/nucleon
PPAC1
(Parallel-Plate Avalanche Counter)
Area: 100 × 100 mm2
Position (x,y) -> angle
Timing -> TOF
PPAC2
Target (CH2)n
φ 3 cm
∼10 mg/cm2
(C target for
background
subtraction)
ビームは標的中で停止
反跳陽子は標的から出てくる
30.9 cm
Telescopes of ∆E-E SSD
Area 50 × 50 mm2
∆E: 75 µm thick
16 ×16 strips → (x,y)
E: 1500 µm thick
重心エネルギー ECM の再構成
ECM
1
A +1
=
Ep
2
4 cos θ p A
A: 入射角の質量数
Ep: 陽子エネルギー (LAB)
シリコン検出器
分解能 100 keV (FWHM)
θp: 陽子散乱角 (LAB)
PPAC とシリコン検出器 (double-sided strips)
分解能 0.5 度 (FWHM)
ECM は Ep & θp からイベントごとに変換される
(標的中のエネルギー・ロスも考慮)
Ep 分解能 100 keV
→ ECM 分解能 30 keV (FWHM) θp = 0 において
不変質量法(分解能∼数100 keV)よりも高分解能
(陽子の標的中でのストラグリングの影響は小さい)
13N+p
experiment (preliminary)
5.173 MeV level
(Ecm= 0.545 MeV) dominates
the 13N(p,γ)14O reaction rates
in the Hot-CNO cycle in the
conditions of T < 109 K
for 14O resonances
6.272 3−
7.77 2+
6.79 2−
New
6.79 2−
5.173
6.27 3−
5.17 1−
4.628
1−
13N+p
0
7.768 2+
分解能が非常に良い 20 keV (FWHM)
0+
14O
cf. 14N(3He,t)14O reaction
(RCNP Hatanaka et al.)
Jπ = 2− の同定、E, Γ の決定 (天体核反応には寄与しない)
干渉パターンの特徴 (s と d)
(Coulomb バリヤー以下、θCM=180度)
13N+p (14O)
6.272
3−
R-matrix 計算
d-wave
s-wave
1−
Ex =
5.173 MeV
5.920
0+
0−
2−
6.590
2+
7.768
2+
干渉パターンの特徴 (p)
24Mg (stable nucleus) + p
(25Al*)
Known resonance states in 25Al were observed.
θ = 0°
Detector #1
dσ/dΩ (a.u.)
Ex = 3.823 MeV
Jπ = 1/2−
p-wave
5.285
1/2+
s-wave
実験手法のテスト
Up to Ex = 5.5 MeV
5.285 1/2+
Γ = 185 keV
3.823 1/2−
Γ = 36 keV
2.271
24Mg+p
Detector #2
θ = 17°
0
5/2+
0+
1/2+
25Al
Interference between
Pot. & Res. scattering.
ECM = Ex – 2.271 (MeV)
Solid line: R-matrix analysis
s & d-waves → peak
p-wave → dip
中性子過剰核の例
8Li+p
実験 (2005年12月)
T=3/2 levels in A=9 nuclei
9Li
アイソスピン4重項
およびアナログ状態の構造
基底状態と第1励起状態しか Jπ がわかっていない
positive parity state? (s or d)
(negative parity (p-shell) 状態のみ)
アイソバリック多重項のエネルギー系統性 (Thomas-Ehrman shift)
実験的には T, Jπ および Γ を決定
(8B+p も計画中)
8Li+p
:陽子共鳴弾性散乱の中性子過剰核への適用
世界的にも例がまだ少ない
3rd (tentative)
17.69
6Li+t
16.89
8Li+p
2nd
16.70
7Li+d
1st (g.s.)
9Be
陽子スレッショルドエネルギーが高い →
高励起エネルギー領域の探索 → 高アイソスピン T = Tz+1 状態の探索
Isospin selection rule
9Be*
(T=3/2)
9Be* (T=1/2)
8Li+p
T=1 T=1/2
8Li+p
Tz= 1/2
6Li+t
(T=1/2)
8Li+p (T=1/2 or 3/2)
7Li+d (T=1/2)
(Τ=1/2)
8Be+n (T=1/2)
5He+α
弾性散乱は T=3/2 状態に sensitive
T=1/2 と 3/2 を区別するため、
実験では弾性散乱以外に (p,t), (p,d), & (p,α) 反応チャンネルも同時にみる。
結果
•Primary beam
7Li3+
•Production reaction
d(7Li,8Li)p
•Production target
D2 gas 1 atom ×8 cm (1.33 mg/cm2)
•Secondary beam
8Li3+
Energy before the secondary target
8Li(p,p)
E/A = 6.5 MeV 300 pnA
σ ∼ 100 mb
2×105 particles/sec
E/A = 5.0 MeV
8Li(p,d)
Preliminary Preliminary
実験メンバー (11C+p, 12N+p, 23Mg+p, 13N+p, 8LI+p in 2001—2005 )
東大CNS
久保野茂、山口英斉、J.J. He、斉藤明登、藤川、 G. Amadio,
野谷将広、新倉、下浦享
立教大
馬場秀忠、福地知則、栂野
理研
西村俊二、西村美月、柳沢善行、道正新一郎、山口充孝、黒川明子
九大
寺西高、若林泰生、森川恒安、竹田英光、鉾岩奈穂、郷農靖之
阪大
東大
東工大
KEK
理科大
山形大
小田原厚子
岩崎弘典
佐藤義輝
石山博垣、渡辺裕、宮武宇也、田中雅彦
橋本尚志、石川智子
加藤静吾、佐藤啓之、川村知行
ATOMKI (Hungary)
Zs. Fulop, D. Sohler
Chung-Ang Univ. (Korea) J.Y. Moon, J.H. Lee, Y.K. Kwon, J.C. Kim, C.S. Lee
Sao Paulo (Brazil)
V. Guimaraes, R.F. Lihitenthaler
CIAE (China)
Z.H. Lee, G. Lian
IPE (Vietnam)
L.H. Khiem
今後の計画1
陽子ドリップラインの外側の原子核を調べる
B
A+p
基底状態が共鳴状態の原子核 (非束縛核)
未観測のもの、エネルギー(質量) がよくわかってないもの、
励起状態の情報が少ないもの
束縛エネルギー(<0) → 質量公式 → 原子核の存在範囲
ミラー核(中性子過剰核)のレベルと比較 → 荷電対称性?
15F
↔ 14O+p
Proton-drip lineの外側
?
?
?
26P
22Si
23Si
24Si
25Si
22Al
23Al
24Al
21Mg
22Mg
23Mg
20Na
21Na
22Na
19
20
21
sd-shell → 主に s or d-wave 共鳴
実験データあり
?
基底状態の幅
20Mg
幅広すぎる (> 1MeV)
幅ちょうどよい (数10∼数100keV)
?
17
Ne
幅狭い (< 10 keV)
Ne
17
Proton-rich →
共鳴エネルギー大 → 幅大
13
O
Z大 →
クーロンバリアー大 → 幅小
12
9C
18
10
C
11
14
O
15
N
14
N
13
C
N
13
C
12
C
O
16
Ne
F
18
O
17
15
N
Ne
F
19
O
18
F
O
Ne
今後の計画2
α散乱、α共鳴
(宇宙核物理的興味)
（αクラスター共鳴状態の探索）
7Be(α,α)7Be
Hot-pp: 7Be(α,γ)11C(β)11B(p,α)8Be→2α
8B(α,p)11C
Hot-pp: 8B(α,p)11C(β)11B(p,α)8Be→2α
14O(α,p)17F
Hot-CNO からの抜け出し
まとめ
z低エネルギーRIビームの陽子共鳴弾性散乱は不安定核の核分光に有用
z今後の計画
軽い中性子過剰核 + p
軽い核+α
Z>10 の陽子ドリップライン核 + p

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