Search for rare gamma-decay modes to understand nucleosynthesis in the universe

• Project/Area Number: 15H02091
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: Kyoto University (2015-2016, 2018); Osaka University (2017)
• Principal Investigator: 川畑 貴裕 京都大学, 理学研究科, 准教授 (80359645)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 久保野 茂 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器研究センター, 客員主管研究員 (20126048) ; 伊藤 正俊 東北大学, サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター, 准教授 (30400435) ; 松田 洋平 東北大学, サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター, 助教 (50569043) ; 秋宗 秀俊 甲南大学, 理工学部, 教授 (60319829)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000); Fiscal Year 2018: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2017: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000); Fiscal Year 2016: ¥13,130,000 (Direct Cost: ¥10,100,000、Indirect Cost: ¥3,030,000); Fiscal Year 2015: ¥16,120,000 (Direct Cost: ¥12,400,000、Indirect Cost: ¥3,720,000)
• Keywords: 宇宙における元素合成 / 固体水素標的 / 稀ガンマ崩壊 / 実験核物理 / ガンマ崩壊幅 / 陽子非弾性散乱 / 逆運動学 / 元素合成 / 極薄固体水素標的 / GAGGシンチレータ

Outline of Annual Research Achievements

原子核の捕獲反応は宇宙における元素合成を駆動する重要な反応であり、その速度は反応の中間状態として生成される共鳴状態の寿命とガンマ崩壊への分岐比によって決定される。しかし、多くの捕獲反応ではガンマ崩壊への分岐比が極めて小さく、放出されるガンマ線を直接に測定して分岐比を決定することは難しい。そこで、本研究では捕獲反応における共鳴状態の稀ガンマ崩壊モードを高感度で探索する新しい手法を確立し、宇宙進化における元素合成過程を明らかにすることを目的とした。
平成28年度までの研究によって逆運動学条件下における陽子非弾性散乱を用いた測定手法の有効性を確認し、12C核のEx = 9.64 MeVに存在する3-状態からの稀ガンマ崩壊への分岐比を決定するために、固体水素標的に炭素ビームを照射する測定を実施した。
測定後には直ちに実験データの解析に着手したが、テスト段階での測定の結果とは反し、測定、固体水素標的の厚さが時間とともに変化していることが判明し、標的厚の評価に従来の想定以上の時間を要してしまった。この問題については、散乱12Cと反跳陽子のエネルギーと角度を用いて運動学的解析を行うことにより、標的厚の時間変化を補正する手法を開発することで解決し、現在は解析の最終段階として、12Cと陽子の同時検出効率を決定するためのシミュレーション計算を実施している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究実績の概要の項でも述べたように、固体水素標的の厚さが時間変化してしまうという想定外の問題はあったものの、解析手法の改良によりこれを解決した。現在は12Cの3-状態におけるガンマ崩壊確率を決定するための最終段階にある。

Strategy for Future Research Activity

実施中のシミュレーション計算によって検出効率を評価し、12C核の3-状態のガンマ崩壊確率を決定する。さらに、このガンマ崩壊確率をもとに、高温度環境下におけるトリプルアルファ反応率を評価し、その成果を国内外の研究集会において公表するとともに、学術論文を執筆する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ブリュッセル自由大学(ベルギー)
• [Journal Article] Systematic analysis of inelastic $\ensuremath{\alpha}$ scattering off self-conjugate $A=4n$ nuclei (2018)
  • Author(s): S. Adachi, S. Sakaguchi (39人中28番目), et al.
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 97 Pages: 014601-014601
  • DOI: 10.1103/physrevc.97.014601
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Time-Reversal Measurement of the p-Wave Cross Section of the 7Be(n,a) Reaction for the Cosmological Li Problem (2017)
  • Author(s): T. Kawabata, et al.
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 118 Pages: 052701-052701
  • DOI: 10.1103/physrevlett.118.052701
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Present Status of the Cosmological Lithium Problem (2018)
  • Author(s): 川畑貴裕
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Direct measurement of the 7Be(n,α)4He reaction cross sections for the cosmological Li problem (2017)
  • Author(s): T. Kawabata, T. Furuno, T. Hashimoto, M. Ichikawa, M. Itoh, N. Iwasa, Y. Kanada-En'yo, A. Koshikawa, S. Kubono, E. Miyawaki, K. Mizutani, T. Morimoto, M. Murata, T. Nanamura1 S. Nishimura, R. Sawada, T. Takeda, M. Tsumura, K. Watanabe, and S. Yoshida
  • Organizer: 7th International Conference on Heavy-Ion Collisions at Near-Barrier Energies (FUSION17)
  • Place of Presentation: Hobart, Tasmania, Australia
  • Year and Date: 2017-02-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 宇宙リチウム問題のための7Be(n,α)4He反応断面積の直接測定 (2017)
  • Author(s): 川畑貴裕
  • Organizer: 宇宙核物理連絡協議会研究会,
  • Invited
• [Presentation] シンクロトロン施設における逆コンプトンガンマ線生成と原子核物理への応用 (2017)
  • Author(s): 川畑貴裕
  • Organizer: シンクロトロン光が拓く学際的物理研究の可能性
  • Invited
• [Presentation] Direct measurement of the 7Be(n,α)4He reaction cross sections for the cosmological lithium problem (2017)
  • Author(s): 川畑貴裕
  • Organizer: the Korean Physics Society Fall Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Alpha inelastic scattering and cluster structures in stable and unstable nuclei (2017)
  • Author(s): 川畑貴裕
  • Organizer: the International workshop on Hadron and Nuclear Physics 2017 (HNP2017)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The first measurement of cross section for the 7Be(n,α)4He reaction near the threshold energy (2016)
  • Author(s): T. Kawabata, T. Furuno, M. Ichikawa , N. Iwasa, Y. Kanada-En'yo, A. Koshikawa, S. Kubono, E. Miyawaki, T. Morimoto, M. Murata, T. Nanamura, S. Nishimura, Y. Shikata, Y. Takahashi, T. Takeda, M. Tsumura, and K. Watanabe
  • Organizer: International Nuclear Physics Conference (INPC2016)
  • Place of Presentation: Adelaide Convention Centre, Adelaide, Australia
  • Year and Date: 2016-09-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Search for the rare γ-decay mode in 12C (2016)
  • Author(s): M. Tsumura, T. Kawabata
  • Organizer: he 14th International Symposium on Nuclei in the Cosmos XIV (NIC-XIV)
  • Place of Presentation: Toki Messe, Niigata, Japan
  • Year and Date: 2016-06-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Search for the rare gamma-decay mode in 12C (2016)
  • Author(s): M. Tsumura, T. Kawabata, S. Adachi, T. Furuno, A. Koshikawa, M. Murata, T. Morimoto, A. Tamii, T. Hashimoto, K. Hatanaka, Y. Matsuda, K. Miki, C. Iwamoto, T. Itoh, M. Miura, J. Zenihiro, S. Kubono, M. Itoh, Y. Maeda, S. Sakaguchi, H. Akimune, H. Fujimura, I. Ou
  • Organizer: Symposium on Nuclei in the Cosmos
  • Place of Presentation: 新潟市朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-06-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Search for the rare gamma-decay mode in 12C (2016)
  • Author(s): M. Tsumura, T. Kawabata, S. Adachi, T. Furuno, A. Koshikawa, M. Murata, T. Morimoto, A. Tamii, T. Hashimoto, K. Hatanaka, Y. Matsuda, K. Miki, C. Iwamoto, T. Itoh, M. Miura, J. Zenihiro, S. Kubono, M. Itoh, Y. Maeda, S. Sakaguchi, H. Akimune, H. Fujimura, I. Ou
  • Organizer: 11th International Conference on Clustering Aspects of Nuclear Structure and Dynamics
  • Place of Presentation: イタリア ナポリ
  • Year and Date: 2016-05-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GAGGを用いた荷電粒子検出器の性能評価 (2016)
  • Author(s): 越川亜美, 川畑貴裕, 古野達也, 津村美保, 村田求基, 森本貴博, 黒澤俊介, 山路晃宏, 村上力輝斗, 堀合毅彦, 知場啓志
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-16
• [Remarks] 大阪大学大学院 理学研究科物理学専攻 原子核実験研究室
  • URL: http://nucl.phys.sci.osaka-u.ac.jp/