| Project/Area Number |
23K25899
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| Project/Area Number (Other) |
23H01203 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
若狭 智嗣 九州大学, 理学研究院, 教授 (10311771)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西畑 洸希 九州大学, 理学研究院, 助教 (00782004)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000)
Fiscal Year 2026: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
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| Keywords | 核物質 / 状態方程式 / 中性子スキン厚 / 中性子星 / 反応断面積 |
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| Outline of Research at the Start |
元素合成のゆりかごを生み出す中性子星の性質から合成プロセスまでを、核物質の状態方程式を通して統一的に理解することを目指す。状態方程式へのアプローチとして中性子過剰な原子核の中性子スキン厚に着目する。多くの理論模型は鉛原子核に対して薄いスキン厚を予測しているが、パリティ非保存電子散乱は厚い値を報告している。この矛盾を解決するために、陽子と中性子分布の半径を独立に決定することが必要である。そこで、九州大学FFA加速器からの100 MeV 級陽子ビームと中性子ビーム生成システムで原子核の陽子と中性子分布を独立かつ系統的に測定する実験を遂行し、状態方程式の高精度化を通して統一理解の確立を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
元素合成のゆりかごを生み出す中性子星の性質から合成プロセスまでを、核物質の状態方程式 (EOS) を通して統一的に理解することを目指す。EOSへの実験的アプローチとして、中性子過剰原子核に現れる中性子スキン厚に着目する。本研究では、九州大学FFA加速器からの100 MeV 級陽子ビームと中性子ビーム生成システムを用いて、原子核の陽子と中性子分布を独立かつ系統的に測定し、EOSの高精度化を通じた統一理解の確立を目指す。
本年度（第２年度）は、ビームラインの整備と輸送特性の最適化に重点を置いた。FFA加速器の出射ビームは水平方向への拡がりが大きく、その発散を抑えるため、小型永久四重極磁石と三連の四重極電磁石を用いたビーム収束系を導入した。これにより、横方向の角度広がりを抑えつつ縦・横の二重収束を達成し、輸送効率と診断性の両立を実現した。さらに、三連電磁石の磁場を約5%弱めることで縦方向の平行ビームを得て、中性子生成用リチウム標的への透過率向上も確認された。また、シンチスクリーンをビーム診断用ビュワーとして採用し、10 pA という微弱ビーム強度でも診断が可能であることをビームテストで実証した。
検出器系では、陽子や中性子測定のために、発光物質の減衰時間の違いを利用してガンマ線との分離が可能なシンチレーション検出器を用いる。所有する252Cf 中性子線源を用いて 10 MeV以下のデータを取得し、波形弁別法(Pulse Shape Discrimination; PSD) による中性子・ガンマ線弁別と検出効率を評価した。その結果、ガンマ線を分離する十分な弁別能力を有していることを確認するとともに、検出効率のエネルギー依存性のシミュレーションと整合性も確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、九州大学FFA加速器からの100 MeV級陽子ビームを用い、中性子ビーム生成システムを構築することで、原子核の陽子および中性子分布を独立かつ系統的に測定し、状態方程式の高精度化を実現することを計画している。
本年度（第2年度）は、5月にビーム生成に必要な施設の変更申請が許可され、それを受けて必要な穿孔工事およびビームシャッター設置を完了し、中性子ビーム系の整備を実施した。具体的には、約3トンの主要機器である偏向電磁石を設置し、電源・冷却系との接続も行った。8月には施設検査に合格し、ビームを用いたコミッショニングの準備が整った。
しかし、8月末の台風により加速器施設が被災し、その復旧対応を優先したため、コミッショニングの開始は翌年1月にずれ込んだ。さらに、1月には九州地区を大寒波が襲い、冷却水系の凍結リスクにより実験が一時制約されたほか、キッカー電磁石の電源系にも課題が生じ、やや遅れが見られた。ただし、加速器グループの尽力によりビームの引き出しには成功しており、今後は遅れを挽回するため電力費の確保なども含めた対応を講じている。
検出器系については概要に記した通り、標準的なADCおよびTDC情報を用いる測定系が整備され、波形弁別法により中性子・ガンマ線の識別も可能である。シミュレーションも順調に進み、検出効率のエネルギー依存性に関する結果は良好な一致を示している。
実際の測定では、陽子ビームおよび中性子ビームに対する全断面積を透過率測定法により導出する。現在は得られる中性子ビーム量との関係を含めた実験セットアップの詳細検討を行っており、シミュレーションとあわせて次年度の本格的な実験に向けた条件整備を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は、基本的には申請時の年次計画に沿って進めることで問題ないと判断している。進捗でも述べた通り、自然災害等により中性子生成システムのコミッショニングに一部遅れが出たが、今年度末にはFFA加速器からのビーム取り出しに成功しており、必要な基盤は整いつつある。加速器の運転には電気代の問題があるものの、大学側の配慮により未消化分の繰越が認められており、引き続き機器の調整を進めていく。
陽子ビームラインおよび中性子ビームシステムの開発を軸に、今年度前半はビームを用いた試験を継続し、遅延の解消を図る。陽子・中性子測定には波形弁別法を用いたシステムを基盤とし、ADCによる標準手法をベンチマークとして、ToT法や波形デジタイザを用いた高速データ収集系の開発を進めることで、測定性能の向上を目指す。
検出器には、理化学研究所と共同開発を進めるEljen社製EJ-276プラスチックシンチレータを用いた位置感応型検出器を採用し、減衰時間差に基づく中性子・ガンマ線の分離を実現する。液体シンチレータでは昨年度、検出効率のエネルギー依存性を反映したシミュレーションを完成させており、同様の構築をプラスチックシンチレータにも展開し、252Cf線源による定量的な比較を実施する予定である。
キッカー電磁石の不具合は暫定対応であり、所定のビーム強度が得られない可能性がある。陽子ビームの測定には支障はないが、中性子ビームについては生成量と検出効率の制約により、十分な精度の確保が難しい可能性がある。このため、大阪大学核物理研究センター（RCNP）でのデータ取得も視野に入れている。測定系の整備と陽子ビーム測定は予定通り進められ、中性子ビームについてはRCNPによるバックアップ体制もあるため、計画に沿った研究遂行が可能と見込んでいる。
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