多価イオンビームによる2光子稀崩壊の観測

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
• Project/Area Number: 21H00161
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 山口 貴之 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (10375595)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 蓄積リング / 多価イオン / ガンマ崩壊

Outline of Annual Research Achievements

原子核の励起状態は、基底状態と励起状態がともにスピンが0+の場合、角運動量保存のためガンマ線を放出できず、内部転換電子崩壊によって脱励起する。しかし完全なイオン化により軌道電子が存在しない場合、かつ励起エネルギーが電子陽電子対生成を起こす閾値より低い場合は、一見すると崩壊できない特異な状態になる。このとき量子力学の2次効果として、2光子同時放出現象が起こる。イオンビームを蓄積リングに貯蔵する実験環境では、競合する過程がなく明確にこの稀少な現象を観測できる。
実験はドイツの重イオン科学研究所GSI/FAIRにて行った。シンクロトロンで加速した78KrビームをBe標的に照射し、核反応で2次ビームを生成した。ビームエネルギーが核子あたり約400MeVなので、ビームは完全イオン化しており、長寿命励起状態(アイソマー：スピン0+)を含んでいる。このビームを蓄積リングESRに入射し、貯蔵した。ESRのビーム光学条件は等時性、すなわち周回周期が粒子の質量電荷比に比例する条件に調整した。そのため、周回周期の非破壊観測によって飛行中のガンマ崩壊（質量変化）を検出することができる。観測にはショットキー検出器を用いた。2021年に2度のビームタイムを消化し、2022-2023年度にデータ解析を行った。その結果は2023年度に投稿論文としてまとめサブミット済みである（現在審査中）。結果として、70Seの2光子崩壊は観測することができなかったが、72Geの2光子崩壊の観測に成功し、予想より寿命が約10倍速い驚きの結果を得た。この成果を受け、2024年度に他の核種で同様の実験が認められている。また国際会議にて成果発表を行った。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] GSI/Max-Planck Institut(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: GSI/Max-Planck Institut
• [Int'l Joint Research] CEA(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: CEA
• [Int'l Joint Research] IMP(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: IMP
• [Journal Article] Ground-state mass of 22Al and test of state-of-the-art ab initio calculations (2024)
  • Author(s): M.Z. Sun, Y. Yu, X.P. Wang, M. Wang, J.G. Li, Y.H. Zhang, K. Blaum, Z.Y. Chen, R.J. Chen, H.Y. Deng, et al.
  • Journal Title: Chin. Phys. C Volume: 48 Pages: 034002/1-7
  • DOI: 10.1088/1674-1137/ad1a0a
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] roton capture on stored radioactive 118Te ions (2023)
  • Author(s): S. F. Dellmann, J. Glorius, Y. A. Litvinov, R. Reifarth, K. Al-Khasawneh, M. Aliotta, L. Bott, B. Brueckner, C. Bruno, R. J. Chen, et al.
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 279 Pages: 11018/1-5
  • DOI: 10.1051/epjconf/202327911018
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Precision experiments with heavy-ion storage rings (2023)
  • Author(s): Yu.A. Litvinov, J. Glorius, M. Steck, Th. Stoehlker. K. Blaum, C.C. Bruno, P.J. Woods, I. Dillmann, B. Jurado, W. Korten, X. Ma, Y. Zhang, R. Reifarth, P. Walker, T. Yamaguchi
  • Journal Title: Acta Phys. Pol. B suppl. Volume: 16 Pages: 4-A25
  • DOI: 10.5506/APhysPolBSupp.16.4-A25
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Storage, accumulation and deceleration of secondary beams for nuclear astrophysics (2023)
  • Author(s): J. Glorius, Yu. A. Litvinov, M. Aliotta, F. Amjad, B. Brueckner, C.G. Bruno, R. Chen, T. Davinson, S.F. Dellmann, T. Dickel, et al.
  • Journal Title: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B Volume: 541 Pages: 190-193
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2023.04.059
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Recent achievements at the Rare-RI Ring, a unique mass spectrometer at the RIBF/RIKEN (2023)
  • Author(s): S. Naimi, Y. Yamaguchi, T. Yamaguchi, A. Ozawa
  • Journal Title: Eur. Phys. J. A Volume: 59 Pages: 90/1-11
  • DOI: 10.1140/epja/s10050-023-01009-4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Matter radius of the doubly-magic 56Ni measured in a storage ring (2023)
  • Author(s): M. von Schmid, T. Aumann, S. Bagchi, S. Boenig, M. Csatlos, I. Dillmann, C. Dimopoulou, P. Egelhof, V. Eremin, T. Furuno, et al.
  • Journal Title: Eur. Phys. J. A Volume: 59 Pages: 83/1-7
  • DOI: 10.1140/epja/s10050-023-00967-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bρ-defined isochronous mass spectrometry and mass measurements of 58Ni fragments (2023)
  • Author(s): M. Zhang, X. Zhou, M. Wang, Y. H. Zhang, Yu.A. Litvinov, H. S. Xu, R. J. Chen, H. Y. Deng, C. Y. Fu, W. W. Ge, et al.
  • Journal Title: Eur. Phys. J. A Volume: 59 Pages: 27/1-16
  • DOI: 10.1140/epja/s10050-023-00928-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Isochronous mass measurements of neutron-deficient nuclei from 112Sn projectile fragmentation (2023)
  • Author(s): Y. M. Xing, C. X. Yuan, M. Wang, Y. H. Zhang, X. H. Zhou, Yu. A. Litvinov, K. Blaum, H. S. Xu, T. Bao, R. J. Chen, et al.
  • Journal Title: Phys. Rev. C Volume: 107 Pages: 014304/1-14
  • DOI: 10.1103/PhysRevC.107.014304
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Precision measurement of the transition energy gt versus magnetic rigidity for storage-ring isochronous mass spectrometry (2022)
  • Author(s): M. Zhang, Y.H. Zhang, M. Wang, X. Zhou, Y.J. Yuan, X.L. Yan, Y.M. Xing, C.Y. Fu, R.J. Chen, X. Xu, et al.
  • Journal Title: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A Volume: 1027 Pages: 166329/1-7
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.166329
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Br-defined isochronous mass spectrometry: An approach for high-precision mass measurements of short-lived nuclei (2022)
  • Author(s): M. Wang, M. Zhang, X. Zhou, Y. H. Zhang, Yu. A. Litvinov, H. S. Xu, R. J. Chen, H. Y. Deng, C. Y. Fu, W. W. Ge, et al.
  • Journal Title: Phys. Rev. C Volume: 106 Pages: L051301/1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevC.106.L051301
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First Application of Mass Measurements with the Rare-RI Ring Reveals the Solar r-Process Abundance Trend at A=122 and A=123 (2022)
  • Author(s): H. F. Li, S. Naimi, T. M. Sprouse, M. R. Mumpower, Y. Abe, Y. Yamaguchi, D. Nagae, F. Suzaki, M. Wakasugi, H. Arakawa, et al.
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 128 Pages: 152701/1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.152701
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 稀少RIリングにおける共鳴Schottky検出器の開発現状 (2024)
  • Author(s): 滝浦 一樹
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Present status of the storage-ring mass spectrometer at RIBF (2023)
  • Author(s): T. Yamaguchi
  • Organizer: International Symposium on Stored Ions for Precision Measurement
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Challenge to exotic nuclei-Rare RI storage ring facility at RIBF (2023)
  • Author(s): T. Yamaguchi
  • Organizer: The 3rd International Workshop on “Origin of Elements and Cosmic Evolution:From Big-Bang to Supernovae and Mergers”(OECE2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Storage ring facilities for radioactive ions new detectors and upgrade plans (2023)
  • Author(s): T. Yamaguchi
  • Organizer: 4th International conference on Advances in Radioactive Isotope Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多価イオンビームによる2光子稀崩壊の観測 (2023)
  • Author(s): 山口 貴之
  • Organizer: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」領域研究会
  • Invited
• [Presentation] Present status of the Rare-RI Ring Facility (2023)
  • Author(s): T. Yamaguchi
  • Organizer: RIBF Users Meeting 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 多価イオンビームによる2光子稀崩壊の観測 (2022)
  • Author(s): 山口 貴之
  • Organizer: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」領域研究会
  • Invited