ｒ過程天体環境解明に向けた新手法による未踏領域核の生成とその多角的精密核分光

• Project/Area Number: 21H04479
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 平山 賀一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (30391733)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 向井 もも 名古屋大学, 工学研究科, 特任助教 (10823726) ; 宮武 宇也 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究員 (50190799) ; 渡邉 裕 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (50353363)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥42,120,000 (Direct Cost: ¥32,400,000、Indirect Cost: ¥9,720,000); Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2023: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000); Fiscal Year 2022: ¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000); Fiscal Year 2021: ¥13,910,000 (Direct Cost: ¥10,700,000、Indirect Cost: ¥3,210,000)
• Keywords: 実験核物理 / 元素合成 / レーザー核分光 / 質量測定 / 崩壊核分光 / 国際情報交換 / ベルギー / アメリカ

Outline of Research at the Start

重元素合成の爆発的天体環境を理解するために、r過程時に生成される中性子魔法数N=126近傍、原子番号Z=70-78領域の核分光実験が不可欠である。この未知原子核の飛躍的な生成量増大が期待できるドーナツ型低温ヘリウムRFガスセルを新規に開発し、この領域の未知原子核を高効率で生成可能な多核子移行原子核反応と組合せて、これまで展開してきたβ崩壊核分光、精密質量測定、精密レーザー核分光による核分光実験を加速する。これにより重元素の起源となる爆発的天体環境の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

金、ウラン等の重元素を合成する速い中性子捕獲過程の起源となる天体環境の解明を目指し、中性子魔法数N=126近傍核の精密核分光を展開しつつ、短寿命核の収量増大のためドーナツ型低温ヘリウムRFガスセルの試験、設計、製作を行った。
KISSで生成分離した短寿命核200,201Ptのレーザー共鳴イオン化核分光を行い、同位体シフト、荷電半径、磁気モーメントを測定した。このレーザー核分光の結果を、2022年9月の日本物理学会秋季大会にて発表し、投稿論文としてまとめて雑誌Physical Review Cに投稿した。KISSでレーザー共鳴イオン化法でウラン同位体をイオンし、新同位体241Uを発見し、MRTOFで精密に質量を測定することにも成功した。重元素合成の鍵となるウラン領域において核分光実験を展開し始めた。
SSRI-pns collaboration meetingおよびRIBF Users Meetingにて、KISSで行ったーザー核分光の結果、精密ベータ遅発ガンマ線核分光および質量測定について発表した。
ドーナツ型低温ヘリウムRFガスセル開発として、Rbイオンを用いたオフライン試験でヘリウムRFガスセル用RFワイヤーカーペットの性能を調べ、その後、オンライン実験でRFワイヤーカーペットによる198Ptイオンの輸送・引き出しに成功した。この実験で、従来の短寿命核引出し用アルゴンガスセルに比べて、約40倍程度良い効率でイオンを引き出せることを確認し、今後の開発項目を見出すことができた。
ヘリウムガスセルを用いたレーザー核分光に向けて、熱電子による中性原子化装置のシミュレーションを開始した。未知短寿命核生成用標的の一つとして高融点元素イリジウム標的を入手できる目処がたった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和3年度は、KISSで生成分離した短寿命核200,201Ptのアルゴンガスセル内レーザーイオン化核分光法で同位体シフト、荷電半径、磁気モーメントを測定した。この実験ではKISS に導入した原子核質量測定装置MRTOFによる精密質量測定と同時に、崩壊放射線測定が困難な比較的長寿命の200PtをMRTOFで同定することでレーザー核分光を可能とした。このように未知中性子過剰核の多角的な核分光測定が着々と進んでいる。
核分光実験と並行して、短寿命核の収量増大を目指してドーナツ型低温ヘリウムRFガスセル開発を行った。Rbイオンを用いたオフライン試験でRFワイヤーカーペットによるイオン輸送効率のRF周波数依存性、ヘリウムガス圧依存性等を調べ、イオン輸送に最適な条件を見出した。その後、オンライン実験でRFワイヤーカーペットによる198Ptイオンの輸送・引き出しに成功した。この実験で今後の開発項目を見出すことができた。この結果を考慮し、予定通りにドーナツ型低温ヘリウムRFガスセルを設計し製作した。
ヘリウムガスセルを用いたレーザー核分光に向けて、熱電子による中性原子化装置のシミュレーションを開始した。装置は令和4年度に製作予定である。未知短寿命核生成用標的の一つである高融点元素イリジウム標的を令和4年度に用意する予定である。

Strategy for Future Research Activity

既存のアルゴンガスセルによるレーザー核分光、精密質量測定および崩壊核分光実験による系統的かつ多角的な核構造研究を進める。
並行して、今年度も引き続き、オフライン試験およびオンライン実験で低温ヘリウムガスセル開発を進める。昨年度に製作した大型ドーナツ型低温ヘリウムRFガスセルを組立てる。この大型ガスセルを導入できる大型ハウジングチャンバーを設計・製作する予定である。
中性原子生成装置のシミュレーションを元に、大型ドーナツ型低温ヘリウムRFガスセルに組み込むこの装置の設計・製作を行う予定である。
入手したイリジウム標的を用いて、短寿命核の生成量をオンライン実験で測定する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] KU Leuven(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] Institute of Basic Science(韓国)
• [Int'l Joint Research] 北京航空航天大学(中国)
• [Int'l Joint Research] Surrey University(英国)
• [Int'l Joint Research] NSCL(米国)
• [Journal Article] Ground-state β-decay spectroscopy of Ta-187 (2022)
  • Author(s): Mukai M.、Hirayama Y.、Watanabe Y. X.、Watanabe H.、Koura H.、Jeong S. C.、Miyatake H.、Brunet M.、Ishizawa S.、Kondev F. G.、Lane G. J.、Litvinov Yu. A.、Niwase T.、Oyaizu M.、Podolyak Zs.、Rosenbusch M.、Schury P.、Wada M.、Walker P. M.
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 105 Issue: 3 Pages: 034331-034331
  • DOI: 10.1103/physrevc.105.034331
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First direct observation of isomeric decay in neutron-rich odd-odd Ta186 (2021)
  • Author(s): Watanabe Y. X.、Walker P. M.、Hirayama Y.、Mukai M.、Watanabe H.、Lane G. J.、Ahmed M.、Brunet M.、Hashimoto T.、Ishizawa S.、Kimura S.、Kondev F. G.、Litvinov Yu. A.、Miyatake H.、Moon J. Y.、Niwase T.、Oyaizu M.、Park J. H.、Podolyk Zs.、Rosenbusch M.、Schury P.、Wada M.
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 104 Issue: 2 Pages: 024330-024330
  • DOI: 10.1103/physrevc.104.024330
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] β－γ spectroscopy of the 195Os nucleus (2021)
  • Author(s): M. Ahmed, Y. X. Watanabe, Y. Hirayama, M. Mukai, J. H. Park, P. Schury, Y. Kakiguchi, A. Ozawa, M. Oyaizu, M. Wada, and H. Miyatake
  • Journal Title: Phys. Rev. C Volume: 103 Issue: 5 Pages: 044617-044617
  • DOI: 10.1103/physrevc.103.054312
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] KISSでのレーザー核分光 (2022)
  • Author(s): 平山 賀一
  • Organizer: 京都大学複合原子力科学研究所 令和 3 年度専門研究会 「短寿命 RI を用いた核分光と核物性研究Ⅷ」
• [Presentation] KISSでの核分光： MRTOF-MSを用いた不安定核の レーザー共鳴イオン化核分光 (2021)
  • Author(s): 平山 賀一
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] Nuclear spectroscopy at KISS (2021)
  • Author(s): Yoshikazu HIRAYAMA
  • Organizer: RIBF Users Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Present status and future plan of KISS (2021)
  • Author(s): Yoshikazu HIRAYAMA
  • Organizer: SSRI-PNS collaboration meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Production of neutron-rich nuclei around N=126 and beyond using multinucleon transfer reactions at KISS project (2021)
  • Author(s): Yutaka Watanabe
  • Organizer: Virtual SHE seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 187Taのベータ崩壊核分光 (2021)
  • Author(s): 向井もも
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Remarks] KEK 和光原子核科学センターのホームページ
  • URL: http://research.kek.jp/group/wnsc/