Search for Alpha Condensed States by Using Neural Network Techniques

• Project Area: Clustering as a window on the hierarchical structure of quantum systems
• Project/Area Number: 19H05153
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 川畑 貴裕 大阪大学, 理学研究科, 教授 (80359645)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000); Fiscal Year 2020: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2019: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: アルファ凝縮状態 / Si半導体検出器 / 波形解析 / ニューラルネットワーク

Outline of Research at the Start

本研究では原子核におけるアルファ凝縮状態を系統的に探索し、その存在を確立したうえで、エネルギーや崩壊幅から低密度核物質の物性を明らかにすることを目的とする。
α凝縮状態は低エネルギーアルファ粒子を放出しつつ崩壊すると考えられているため、これを検出するために、近年発展の著しいニューラルネットワーク技術を導入して従来手法の限界を超えた新しい低エネルギー荷電粒子識別技術を確立する。そして、陽子数と中性子数の等しい質量数 A = 4N の原子核に対し0度を含む超前方角度におけるアルファ非弾性散乱と低エネルギー崩壊α粒子の同時計測を行い、アルファ凝縮状態を探索する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では原子核におけるアルファ凝縮状態を系統的に探索し、その存在を確立したうえで、エネルギーや崩壊幅から低密度核物質の物性を明らかにすることを目的とする。アルファ凝縮状態は複数の低エネルギーアルファ粒子を放出しつつ、より軽い核のアルファ凝縮状態を経由して崩壊されると考えられるが、アルファ凝縮状態近傍の励起状態からは、アルファ粒子だけではなく陽子や重陽子など種々の荷電粒子が放出されるため、これらの粒子種別を弁別すると同時に、大立体角をカバーして低エネルギーの崩壊粒子を高い効率で検出することのできる大面積の粒子検出器が必要である。しかし、低エネルギー粒子の粒子識別は技術的に難しい。そこで本研究では、検出器からの信号波形を解析することにより粒子識別を行う。
東北大学サイクロトロン・ラジオアイソトープセンターにおいて、核破砕反応によって生成された連続エネルギーの荷電粒子をシリコン半導体検出器に入射させ、陽子・重陽子・アルファ粒子に対する波形を取得した。これを教師あり訓練データとしてニューラルネットワークの育成を行ったところ、信号の立ち上がり時間を特徴量とする従来型の解析手法に比べ粒子識別精度が向上し、1.8 MeV という低エネルギーの陽子とアルファ粒子を95%以上の精度で識別することが可能となった。
さらに、シリコン検出器を5枚に増加させ、検出器架台、全チャンネル(120ch)を読み出すための回路を整備して、本実験のためのフルセットアップを構築した。今後、これらの検出器を日本原子力研究開発機構に移設し、同機構の大型タンデム静電加速器施設において、12C+12Cの共鳴散乱による24Mgにおけるα凝縮状態の探索実験を行う。収集したデータについては直ちに解析を実施し、その成果を国内外の研究集会で公表するとともに、学術論文を出版する。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ブリュッセル自由大学(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] ブリュッセル自由大学(ベルギー)
• [Journal Article] Particle Identification by Pulse-Shape Analysis with Neural Network (2020)
  • Author(s): Yuto Hijikata, Takahiro Kawabata, Yoshiko Kanada-En’yo, Kenichi Yoshida, Yui Arakawa, Kento Inaba, Shiyo Enyo, Shintaro Okamoto, Kazuki Katayama, Ryota Kongo, Akane Sakaue, Kosuke Sakanashi, Shu Takagi, Takanobu Doi, Yuki Fujikawa, Tatsuya Furuno, Rinko Matsumoto, Takuya Mikami, Keiko Miyazato, and Motoki Murata
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 31 Pages: 011050-011050
  • DOI: 10.7566/jpscp.31.011050
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Search for the α Condensed State by Measuring the Inelastic Resonance Scattering 12C(12C,12C[0+2])12C(0+2) (2020)
  • Author(s): K. Sakanashi, T. Kawabata, Y. Kanada-En’yo, K. Yoshida, K. Inaba, T. Doi, T. Furuno, A. Sakaue, Y. Fujikawa, S. Okamoto, K. Katayama, Y. Arakawa, S. Enyo, R. Kongo, S. Takagi, Y. Hijikata, R. Matsumoto, T. Mikami, and K. Miyazato
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 31 Pages: 011074-011074
  • DOI: 10.7566/jpscp.31.011074
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Search for α-Condensed State in 20Ne (2020)
  • Author(s): Y. Fujikawa, S. Adachi, T. Kawabata, M. Tsumura, A. Sakaue, K. Inaba, T. Doi, R. Fujii, H. Furuta, T. Harada, S. Okamoto, R. Sekiya, A. Tamii, N. Kobayashi, T. Furuno, M. Itoh, Y. Matsuda, S. Ishida, Y. Maeda, K. Nonaka, C. Iwamoto, and H. Akimune
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 31 Pages: 011062-011062
  • DOI: 10.7566/jpscp.31.011062
  • NAID: 130008153394
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 機械学習技術を用いたSi検出器の波形解析による粒子識別 (2021)
  • Author(s): 川畑貴裕
  • Organizer: 日本原子力学会
  • Invited
• [Presentation] Cluster correlation in nuclei and its impact on nuclear astrophysics (2021)
  • Author(s): T. Kawabata
  • Organizer: 新学術領域研究「量子クラスターで読み解く物質の階層構造」スクール
  • Invited
• [Presentation] Si検出器を用いた低エネルギー荷電粒子の波形弁別 (2021)
  • Author(s): 坂梨公亮, 川畑貴裕, 足立智, 古野達也, 辻聖也, 氷見香奈子, 藤川祐輝, 稲葉健斗, 岡本慎太郎, 村田求基, 伊藤正俊, 松田洋平, 山本広平, 小野寺史龍
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] アルファ非弾性散乱と崩壊粒子同時測定による20Neのアルファ凝縮状態の探索 (2021)
  • Author(s): 足立智
  • Organizer: RCNP研究会 原子核における多様な共鳴現象とそれを探る反応機構
• [Presentation] The MAIKo active target and the SAKRA Si detector array developed by the Osaka-Kyoto nuclear cluster physics group (2020)
  • Author(s): 川畑貴裕
  • Organizer: 新学術領域「クラスター階層」第２回検出器ワークショップ
• [Presentation] Search for alpha condensed state in 24Mg (2020)
  • Author(s): 川畑貴裕
  • Organizer: 新学術領域「クラスター階層」第3回クラスター階層領域研究会
• [Presentation] Si検出器を用いた低エネルギー荷電粒子の波形弁別 (2020)
  • Author(s): 坂梨公亮, 川畑貴裕, 足立智, 藤川祐輝, 稲葉健斗, 岡本慎太郎, 古野達也, 村田求基
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] Candidates for the5αcondensed state in 20Ne (2020)
  • Author(s): 足立智
  • Organizer: 新学術領域「クラスター階層」第5回クラスター階層領域研究会
• [Presentation] 20Neにおけるα凝縮状態の探索 (2020)
  • Author(s): 藤川祐輝, 足立智, 川畑貴裕, 津村美保, 阪上朱音, 稲葉健斗, 岡本慎太郎, 土井隆暢, 関屋涼平, 原田健志, 藤井涼平, 古田悠稀, 民井淳, 小林信之, 古野達也, 伊藤正俊, 松田洋平, 石田駿野, 前田幸重, 野中光太郎, 岩本ちひろ, 秋宗秀俊
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] GAGGシンチレータを用いた荷電粒子の波形弁別 (2020)
  • Author(s): 坂梨公亮, 川畑貴裕, 足立智, 稲葉健斗, 土井隆暢, 古野達也, 藤川祐輝, 黒澤俊介, 山路明宏
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] 20Ne(a,a'+a)測定による20Ne原子核のアルファ凝縮状態の探索 (2020)
  • Author(s): 足立智, 藤川祐輝, 川畑貴裕, 秋宗秀俊, 石田駿野, 稲葉健斗, 伊藤正俊, 岩本ちひろ, 岡本慎太郎, 小林信之, 阪上朱音, 関屋涼平, 民井淳, 津村美保, 土井隆暢, 野中光太郎, 原田健志, 藤井涼平, 古田悠稀, 古野達也, 前田幸重, 松田洋平, 村田求基
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] Search for α-Condensed State in 20Ne (2020)
  • Author(s): Y. Fujikawa, S. Adachi, T. Kawabata, M. Tsumura, A. Sakaue, K. Inaba, T. Doi, R. Fujii, H. Furuta, T. Harada, S. Okamoto, R. Sekiya, A. Tamii, N. Kobayashi, T. Furuno, M. Itoh, Y. Matsuda, S. Ishida, Y. Maeda, K. Nonaka, C. Iwamoto, and H. Akimune
  • Organizer: The 15th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies (OMEG15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nuclear experimental approach to cluster correlation and nucleosynthesis in the universe (2019)
  • Author(s): T. Kawabata
  • Organizer: The 15th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies (OMEG15)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Particle Identification by Pulse-Shape Analysis with Neural Network (2019)
  • Author(s): Yuto Hijikata, Takahiro Kawabata, Yoshiko Kanada-En’yo, Kenichi Yoshida, Yui Arakawa, Kento Inaba, Shiyo Enyo, Shintaro Okamoto, Kazuki Katayama, Ryota Kongo, Akane Sakaue, Kosuke Sakanashi, Shu Takagi, Takanobu Doi, Yuki Fujikawa, Tatsuya Furuno, Rinko Matsumoto, Takuya Mikami, Keiko Miyazato, and Motoki Murata
  • Organizer: The 15th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies (OMEG15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Search for the α Condensed State by Measuring the Inelastic Resonance Scattering 12C(12C,12C[0+2])12C(0+2) (2019)
  • Author(s): K. Sakanashi, T. Kawabata, Y. Kanada-En’yo, K. Yoshida, K. Inaba, T. Doi, T. Furuno, A. Sakaue, Y. Fujikawa, S. Okamoto, K. Katayama, Y. Arakawa, S. Enyo, R. Kongo, S. Takagi, Y. Hijikata, R. Matsumoto, T. Mikami, and K. Miyazato
  • Organizer: The 15th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies (OMEG15)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] OMEG15 Symposium
  • URL: http://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/~omeg15/
• [Funded Workshop] The 15th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies (OMEG15) (2019)