2021 Fiscal Year Research-status Report
中性子超過剰核の構造～最新技術を統合して探る新奇な核構造
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18KK0084
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小田原 厚子 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (30264013)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西畑 洸希 九州大学, 理学研究院, 助教 (00782004)
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)
畠山 温 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70345073)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2023-03-31
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| Keywords | 中性子過剰核 / 原子核構造 / レーザー分光法 / β-γ-ｎ核分光法 / スピン偏極ビーム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
中性子過剰核の構造の理解は、宇宙での元素合成過程の研究に基本的な情報を提供する喫緊の課題である。しかし、実験データは十分ではなく、核構造の包括的な理解に至っていない。理論的には、中性子数の変化に伴って殻構造や核子間相関が変化し、特異で多様な構造の発現が予測されている。従って、精密かつ体系的な実験データが待たれている。本研究は、不安定核のスピンを偏極させて核構造の精密な情報を引き出すという独自の手法を持つ我々日本グループと、新世代の大強度不安定核ビーム供給施設や独自のレーザー技術、イオントラップ技術を持つカナダのTRIUMF研究所が協力して、これまでの測定限界を超えた超中性子過剰核も含めて、中性子過剰核の構造の系統的な解明を目的とする。
2019年度にビーム量毎秒100個以上のMg-31スピン偏極核を生成し、そのβ崩壊からAl-31核の構造を解明する実験をTRIUMFで行った。輸送中のビームの偏極保持のためにイオンを1価から2価へ荷電変換させたことが原因で、低偏極度のビームしか得られなかった。この問題解決のための改良計画がプロジェクトとして2020年度にTRIUMFで採択され、現在進行中である。日本側はこのプロジェクトの一環として、測定位置でのスピン偏極を保持する永久磁石の改良を行った。
平行して、2019年度のスピン偏極Mg-31核とテスト的に実施した無偏極Mg-33核のβ崩壊でAl-31核やAl-33核の原子核構造を解明する実験のデータ解析を進め、これらの途中経過を日本物理学会で発表した。また、TRIUMFのAdvisory Committee（助言委員会）による外部評価の場で、TRIUMFの大きな成果の一つとして選ばれ、ポスター発表を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2019年度にスピン偏極Mg-31核と無偏極Mg-33核のβ崩壊実験をTRIUMFで実施し、順調に国際共同研究を開始していた。しかし、COVID-19のため、2020年度から2021年度にかけて、日本側がTRIUMF現地で実験準備や実験を実施できなかった。また、TRIUMFの研究協力者の時短勤務やテレワークの推進、日本側でも研究活動の制限のために本課題の推進は予定よりもやや遅れている。
しかし、この現状を研究をさらに発展させるチャンスと捉え、これまで以上に緊密に国内やTRIUMFの共同研究者と定期的なオンライン会議をもち、様々な研究開発を行った。まず、2019年度に、想定よりも低いスピン偏極度しか得られなかった問題に対して、その原因である、スピン偏極保持のためにMgビームを1価から2価へHeガスによる荷電変換過程をやめる決定をした。そうすると、環境磁場の影響よりビーム輸送中にスピン偏極緩和が生じる。これを防ぐために、偏極ビームラインから測定位置までコイルを設置して保持磁場を印加することにした。この改良計画はTRIUMFのプロジェクトとして認められ、TRIUMF側が準備を行っている。さらに、コイル磁場と測定位置での偏極保持磁場との接続部で偏極緩和が生じる。これを防ぐのは非常に難しいとTRIUMF側は考えたが、日本側で新たに永久磁石の形状をデザインし、シミュレーションを行い、業者が完成させた。磁場測定結果は見事にシミュレーションと一致し、日本の業者の技術力の高さを示すこととなった。
同時に、2019年度のスピン偏極Mg-31核とテスト的に実施した無偏極Mg-33核のβ崩壊実験のデータ解析を行った。これら原子核のβ崩壊によるAl-31核やAl-33核の原子核構造を解明することを目的とし、原子核理論の共同研究者と議論を行っており、途中経過を学会などで発表した。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在、COVID-19の状況が落ち着きつつあり、海外渡航の制限も緩んできている。よって、今年度は、日本からTRIUMFに出向き、現地で実験準備と実験実施を行う予定で研究計画を進めている。
まず、TRIUMFの共同研究者が偏極ビームラインの改良を完成させる。春から夏にかけて、ビームラインにおいて、保持磁場発生のためのコイル、コイル用電源、コントロール系、モニター系などの設置を行う予定である。秋以降には少なくともイオン源から供給される安定核Mgビームを用いてビームテスト実験を行うことを考えている。このビームテスト実験には、日本側からもオンラインではなく、TRIUMF現地で実験に参加したいと思っている。
次に、日本グループは、昨年度に製作した永久磁石の設置を現地で行う予定である。この永久磁石とビームラインのコイルによる磁場とのつなぎが、シミュレーションの結果と同じであるか、磁場を測定して検証することを夏から秋にかけて実施したいと計画している。同時に、日本国内においては、今年度の秋頃までに、検出器系や回路系・データ収集系の準備を完成させたいと考えている。その後、日本国内の加速器施設で、不安定核ビームを用いた性能評価実験をTRIUMFの本実験の前に実施したいと思っている。
その後、今年度の冬から春にかけて、不安定核Mg-33ビームのスピン偏極ビーム開発実験を行い、本実験であるスピン偏極Mg-33核のβ崩壊を用いたAl-33核の構造解明実験を実施予定である。実験データの解析を急ぎ行い、その結果から得られる成果をまとめ、学会などで発表予定である。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由は、2020年度から2021年度にかけて、COVID-19のため、国際共同研究の相手方研究機関である、カナダのTRIUMFで実験準備や実験を実施できなかったためである。しかし、海外渡航の制限が緩和されつつある現在では、TRIUMFへ行くことも次年度には可能になると考えている。
よって、次年度の使用計画は大きく2つに分かれる。一つ目として、日本国内での実験準備のための費用である。新しく製作した磁石のサポート部品などの製作のための消耗品費や、国内加速器施設における不安定核ビームを用いた検出器や回路系・データ収集系のテスト実験のための国内旅費、である。
二つ目として、TRIUMFで実験準備と実験を実施するための費用である。まず、実験機材を輸送するための輸送費や、TRIUMFへ研究分担者や学生が渡航するための海外旅費である。特にこれら輸送費と海外旅費が使用計画の大きな部分を占めることになる。
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[Presentation] スピン偏極31Mgビームを用いた31Alの構造研究2022
Author(s)
小田原厚子, 西畑洸希, 下田正, 前島大樹, 浜野友哉, 大上能弘, 大谷優里花, 金谷晋之介, 飯村俊, 関口直太, 浅川寛太, C.D.P. Levy, M.R. Pearson, J. Lassen, R. Li
Organizer
日本物理学会 第77回年次大会、オンライン 2022年3月15日から19日
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[Presentation] 33Mgのβ崩壊による中性子過剰核33Alの束縛状態と中性子非束縛状態の研究2022
Author(s)
大上能弘, 小田原厚子, 西畑洸希, 下田正, 大谷優里花, 飯村俊, Nurhafiza M. Nor, 前島大樹, 金谷晋之介, 浜野友哉, 関口直太, 浅川寛太C, C.D.P. Levy, M.R. Pearson, J. Lassen, R. Li
Organizer
日本物理学会 第77回年次大会、オンライン 2022年3月15日から19日
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