The determination of the enhancement factor for the triple alpha reaction rate via the neutron inelastic mechanism

• Project/Area Number: 20H01908
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: ITOH Masatoshi 東北大学, サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター, 教授 (30400435)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松田 洋平 甲南大学, 理工学部, 准教授 (50569043) ; 秋宗 秀俊 甲南大学, 理工学部, 教授 (60319829) ; 川畑 貴裕 大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (80359645)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2021: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2020: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
• Keywords: トリプルアルファ反応 / 中性子非弾性散乱 / 元素合成 / 単色中性子源

Outline of Research at the Start

ヘリウムから炭素を生成する過程であるトリプルアルファ反応は、宇宙における元素合成過程において最も重要な反応の一つである。このトリプルアルファ反応が、高温・高密度下の恒星中において中性子が反応に関与することで、反応率が著しく増大する可能性が指摘されており、問題となっている。
本研究では、元素合成に大きく影響する反応しきい値エネルギー付近において炭素12の中性子非弾性散乱を測定するため、エネルギーが10MeV前後の新しい手法を用いた単色中性子源を開発し、中性子の非弾性機構によるトリプルアルファ反応の反応率を高精度に決定することで、宇宙の元素合成過程の解明を目指す。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we have developed a mono-energetic neutron source in the 10 MeV region to determine an enhancement factor of the triple alpha reaction due to inelastic neutron scattering under high temperature and high density conditions. In the development, the properties of neutron beams were evaluated for the neutron source with candidate reactions and the 1H(13C,n) reaction was confirmed to be the most suitable. Finally, we obtained the neutron beam intensity of 2.2×10^7 n/sr/sec and confirmed it can be stably supplied 10MeV neutrons. In order to determine the enhancement factor by the neutron inelastic mechanism, a measurement system for inelastic neutron scattering on carbon was constructed using a 10 MeV neutron source. In the measurement, we confirmed the peak of elastic scattering of neutrons, and confirmed that we can measure correctly the cross section of inelastic neutron scattering by increasing the statistics.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

宇宙において元素がどのようにして作られたかを知るために、ヘリウムから炭素を合成するトリプルアルファ反応率を高精度で決定することが求められている。本研究では、これまで実験データのなかった低エネルギー領域における炭素の中性子非弾性断面積を測定することで、その精度を向上させることを可能にした。本研究で開発した10MeV単色中性子源はこれまで実用化されていなかったエネルギー領域の単色中性子源であり、本研究だけでなく、さまざまな中性子非弾性散乱の測定や応用研究にも使用でき、周辺分野にも大きく影響を与えることができるであろう。

Research Products

• [Journal Article] Measurement of 12C(n,n’) reaction cross section to determine triple-alpha reaction rate in high-density environments (2022)
  • Author(s): Furuno Tatsuya、Doi Takanobu、Himi Kanako、Kawabata Takahiro、Adachi Satoshi、Akimune Hidetoshi、Enyo Shiyo、Fujikawa Yuki、Hijikata Yuto、Inaba Kento、Itoh Masatoshi、Kubono Shigeru、Matsuda Yohei、Murata Isao、Murata Motoki、Okamoto Shintaro、Sakanashi Kosuke、Tamaki Shingo
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 260 Pages: 11010-11010
  • DOI: 10.1051/epjconf/202226011010
  • Open Access
• [Journal Article] Response of the GAGG(Ce) scintillator to charged particles compared with the CsI(Tl) scintillator (2021)
  • Author(s): Furuno T.、Koshikawa A.、Kawabata T.、Itoh M.、Kurosawa S.、Morimoto T.、Murata M.、Sakanashi K.、Tsumura M.、Yamaji A.
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 16 Issue: 10 Pages: P10012-P10012
  • DOI: 10.1088/1748-0221/16/10/p10012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Search for alpha condensed states in 13C using alpha inelastic scattering (2021)
  • Author(s): Inaba K、Sasamoto Y、Kawabata T、Fujiwara M、Funaki Y、Hatanaka K、Itoh K、Itoh M、Kawase K、Matsubara H、Maeda Y、Suda K、Sakaguchi S、Shimizu Y、Tamii A、Tameshige Y、Uchida M、Uesaka T、Yamada T、Yoshida H P
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2021 Issue: 9 Pages: 1-21
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab102
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Candidates for the 5α condensed state in 20Ne (2021)
  • Author(s): Adachi S.、Fujikawa Y.、Kawabata T.、Akimune H.、Doi T.、Furuno T.、Harada T.、Inaba K.、Ishida S.、Itoh M.、Iwamoto C.、Kobayashi N.、Maeda Y.、Matsuda Y.、Murata M.、Okamoto S.、Sakaue A.、Sekiya R.、Tamii A.、Tsumura M.
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 819 Pages: 136411-136411
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136411
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] First experimental determination of the radiative-decay probability of the 3－1 state in 12C for estimating the triple alpha reaction rate in high temperature environments (2021)
  • Author(s): M. Tsumura,S. Kubono, et al.
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 817 Pages: 136283-136283
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136283
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Proton-3He elastic scattering at intermediate energies (2021)
  • Author(s): A.Watanabe, S.Nakai, Y.Wada, K.Sekiguchi, M.Itoh, et al.
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 103 Issue: 4 Pages: 044001-044001
  • DOI: 10.1103/physrevc.103.044001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Compression-mode resonances in the calcium isotopes and implications for the asymmetry term in nuclear incompressibility (2020)
  • Author(s): K.B.Howard, U.Garg, M.Itoh, H.Akimune, T.Kawabata, et al.
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 807 Pages: 135608-135608
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2019.135185
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] トリプルアルファ反応の中性子加速散乱による増幅率決定に向けた大強度10MeV単色中性子源の開発 (2023)
  • Author(s): 今間可奈子, ○伊藤正俊, 足立智, 服部幸平, 米倉章平, 林拓夢, 細谷弦生, 山崎峻平, 川畑貴裕, 秋宗秀俊, 松田洋平
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 10MeV単色中性子源の大強度化に向けた冷却水素ガス標的の開発 (2023)
  • Author(s): 山崎峻平, 伊藤正俊, 足立智, 今間可奈子, 服部幸平, 林拓夢, 米倉章平, 細谷弦生, 川畑貴裕
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 重陽子非弾性散乱を用いた12Cの3-1状態のγ壊確率測定のための反跳重陽子検出器Gionと重水素吸着チタン標的の性能評価 (2022)
  • Author(s): 本多祐也, 川畑貴裕, 古野達也, 坂梨公亮, 辻聖也, 氷見香奈子, 村田求基, 藤川祐輝, 岡本慎太郎, 三木謙二郎, 亀谷晃毅, 浦山廉, 伊藤正俊, 足立智, 今間可奈子, 服部幸平, 林拓夢, 米倉章平, 山崎峻平, 細谷弦生
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 高密度下におけるトリプルアルファ反応率決定に向けた10MeV領域のエネルギー可変な単色中性子源開発 (2022)
  • Author(s): 山本広平, 伊藤正俊, 川畑貴裕, 秋宗秀俊, 松田洋平, 足立智, 小野寺史龍, 今間可奈子, 服部幸平, 氷見香奈子, 宮本憲伸, 米倉章平
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次会
• [Presentation] 単色中性子源開発におけるDigitizerを用いたデータ収集 (2022)
  • Author(s): 今間可奈子, 伊藤正俊, 山本広平, 小野寺史龍, 服部幸平, 米倉章平, 足立智, 氷見香奈子, 宮本憲伸, 川畑貴裕, 三木謙二郎, 松田洋平, 秋宗秀俊
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次会
• [Presentation] 前方角度における16Oの4α崩壊粒子測定による崩壊しきい値近傍の12C(02+)+αおよび8Be+8Beクラスター状態の探索 (2022)
  • Author(s): 小野寺史龍, 伊藤正俊, 山本広平, 今間可奈子, 服部幸平, 米倉章平, 川畑貴裕
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次会
• [Presentation] 12C(n, n')12C(0+2) 断面積の測定のための大型アクティブ標的MAIKo+の開発 (2022)
  • Author(s): 氷見香奈子, 古野達也, 宮本憲伸, 川畑貴裕, 足立智, 坂梨公亮, 辻聖也, 本多祐也, 村田求基, 土井隆暢, 藤川祐輝, 岡本慎太郎, 伊藤正俊, 秋宗秀俊, 松田洋平, 久保野茂
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次会
• [Presentation] GAGGシンチレータの波形解析による粒子識別法の開発 (2) (2022)
  • Author(s): 坂梨公亮, 辻聖也, 川畑貴裕, 古野達也, 足立智, 氷見香奈子, 村田求基, 藤川祐輝, 稲葉健斗, 岡本慎太郎, 伊藤正俊, 松田洋平, 黒澤俊介, 山路晃広
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次会
• [Presentation] 中性子によるトリプルアルファ反応の増幅率決定に向けた10MeV単色中性子源の開発 (2020)
  • Author(s): 黒澤駿斗、伊藤正俊、松田洋平、中川杏菜、野坂恭子、前田流、小野寺史龍、山本広平、今間可奈子、蜂須賀大暁、秋宗秀俊、久保野茂、川畑貴裕
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 重イオンビーム用オンラインプロファイルモニターの開発（２） (2020)
  • Author(s): 前田流、松田洋平、伊藤正俊、石橋陽子、烏谷晃平、石田駿野、中川杏菜、黒澤駿斗、野坂恭子、山本広平
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 高分解能GAGG結晶を用いたコンプトンカメラの開発（２） (2020)
  • Author(s): 山本広平、伊藤正俊、池田隼人、渡部浩司、Hajar Zarei、松田洋平、黒澤駿斗、中川杏菜、野坂恭子、前田流、小野寺史龍、今間可奈子、蜂須賀大暁
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会