多価イオン状態の不安定核のための新しい寿命測定法の確立と宇宙元素合成過程への応用

• 研究課題/領域番号: 17H01123
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 埼玉大学
• 研究代表者: 山口 貴之 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (10375595)
• 研究分担者: 山口 由高 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 技師 (40415328) ; 洲嵜 ふみ 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究職 (70779727) ; 長江 大輔 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 協力研究員 (60455285)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 44,200千円 (直接経費: 34,000千円、間接経費: 10,200千円); 2020年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2019年度: 14,560千円 (直接経費: 11,200千円、間接経費: 3,360千円); 2018年度: 14,820千円 (直接経費: 11,400千円、間接経費: 3,420千円); 2017年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円)
• キーワード: 実験核物理 / 蓄積リング / 多価イオン / RIビーム

研究成果の概要

本研究は、理化学研究所RIビームファクトリーに新設された、エキゾチック核の質量測定専用の蓄積リング（名称：稀少RIリング）に改良を加え、多価イオン状態の不安定核の寿命測定を可能にするための開発を行った。主な成果として、単一イオンを非破壊的に検出する小型高感度ショットキー検出器、薄膜表面から放出される高エネルギー2次電子を利用した新しいビーム周回モニター、ならびに崩壊娘核を検出するため蓄積リング周長に沿って配置するシンチレーションファイバー位置検出器を開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

開発した検出器群によって、多価イオン状態で崩壊するエキゾチック原子核の寿命を飛行中に測定することができる。原子核の寿命は軌道電子の有無によって劇的に変化することがある（例えばγ崩壊と内部転換電子崩壊が競合する場合）。このような条件は星の中にあると考えられるため鉄からウランまでの重元素合成過程の理解に鍵となる情報となる。開発したショットキー検出器で短時間に単一粒子（親核）を非破壊的に測定し、蓄積リング周長に配置したファイバー検出器によって娘核を測定する。本研究のバックグラウンドがない効率的な測定は他の装置では不可能である。

研究成果

• [国際共同研究] GSI/Max-Planck Institute/Giessen Univ.(ドイツ)
• [国際共同研究] IMP/Beihang Univ.(中国)
• [国際共同研究] GSI/Max-Planck Institute/Giessen Univ(ドイツ)
• [国際共同研究] IMP/Beihang Univ(中国)
• [雑誌論文] Development and operation of a time-of-flight detector to confirm particle storage at the Rare-RI Ring (2021)
  • 著者名/発表者名: D. Nagae et al.
  • 雑誌名: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 巻: 986 ページ: 164713-164713
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164713
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Experimental Challenges of the First Mass Measurement Campaign at the Rare-RI Ring (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Naimi et al.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1643 号: 1 ページ: 012058-012058
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1643/1/012058
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mass measurements for the Tz = －2 fp-shell nuclei 40Ti, 44Cr, 46Mn, 48Fe, 50Co, and 52Ni (2020)
  • 著者名/発表者名: C. Y. Fu, Y. H. Zhang M. Wang, X. H. Zhou, Yu. A. Litvinov, K. Blaum, H. S. Xu, X. Xu, P. Shuai, Y. H. Lam, R. J. Chen, X. L. Yan, X. C. Chen, J. J. He, S. Kubono, M. Z. Sun, X. L. Tu, Y. M. Xing, Q. Zeng, X. Zhou, W. L. Zhan, S. Litvinov, G. Audi, T. Uesaka, T. Yamaguchi, A. Ozawa, B. H. Sun, Y. Sun, F. R. Xu,
  • 雑誌名: Phys. Rev. C 巻: 102 号: 5 ページ: 054311-054311
  • DOI: 10.1103/physrevc.102.054311
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nuclear physics research at heavy ion accelerators: Precision studies with stored and cooled exotic nuclei (2020)
  • 著者名/発表者名: Yu.A. Litvinov, Th. Stoehlker, X.W. Ma, Y.H. Zhang, T. Yamaguchi,
  • 雑誌名: J. Phys. Conf. Ser. 巻: 1401 号: 1 ページ: 012001-012001
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1401/1/012001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Efficiency and timing performance of time-of-flight detector utilizing thin foils and crossed static electric and magnetic fields for mass measurements with Rare-RI Ring facility (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Suzuki, A. Ozawa, D. Kamioka, Y. Abe, M. Amano, H. Arakawa, Z. Ge, K. Hiraishi, Y. Ichikawa, K. Inomata, A. Kitagawa, T. Kobayashi, Hg. Li, T. Matsumoto, T. Moriguchi, M. Mukai, D. Nagae, S. Naimi, S. Omika, S. Sato, Y. Tajiri, K. Wakayama, T. Yamaguchi
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 965 ページ: 163807-163807
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.163807
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Improving the resolving power of Isochronous Mass Spectrometry by employing an in-ring mechanical slit (2020)
  • 著者名/発表者名: J.H. Liu, X. Xu, P. Zhang, P. Shuai, X.L. Yan, Y.H. Zhang, M. Wang, Yu.A. Litvinov, H.S. Xu, K. Blaum, et al.
  • 雑誌名: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 巻: 463 ページ: 138-142
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2019.06.007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of a new in-ring beam monitor in the Rare-RI Ring (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Omika, T. Yamaguchi, N. Tadano, Y. Abe, M. Amano, Z. Ge, D. Kamioka, T. Moriguchi, D. Nagae, S. Naimi, A. Ozawa, F. Suzaki, S. Suzuki, T. Suzuki, T. Uesaka, M. Wakasugi, K. Wakayama, Y. Yamaguchi
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 巻: 463 ページ: 241-243
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2019.05.029
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Scheme of high-resolution identification and selection of secondary ions for mass measurements with the Rare-RI Ring (2019)
  • 著者名/発表者名: Z. Ge, T. Uesaka, S. Naimi, D. Nagae, Y. Abe, S. Omika, F. Suzaki, T. Yamaguchi, Y. Yamaguchi, M. Wakusugi, H. Li, K. Wakayama, H. Arakawa, K. Inomata, K. Nishimuro, T. Kobayashi, A. Ozawa, S. Hosoi, Y. Inada, S. Suzuki, T. Moriguchi, M. Mukai, M. Amano, D. Kamioka, Y. Yano,
  • 雑誌名: Hyp. Int. 巻: 240 号: 1
  • DOI: 10.1007/s10751-019-1599-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Masses of ground and isomeric states of 101In and configuration-dependent shell evolution in odd-A indium isotopes (2019)
  • 著者名/発表者名: X. Xu, J. H. Liu, C. X. Yuan, Y. M. Xing, M. Wang, Y. H. Zhang, X. H. Zhou, Yu. A. Litvinov, K. Blaum, R. J. Chen, et al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. C 巻: 100 号: 5 ページ: 051303-051303
  • DOI: 10.1103/physrevc.100.051303
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The development of in-ring reaction measurements at the HIRFL-CSR (2019)
  • 著者名/発表者名: J.T. Zhang, K. Yue, H.X. Li, X.L. Tu, C.J. Shao, P. Ma, B. Mei, X.C. Chen, Y.Y. Yang, X.Q. Liu, Y.M. Xing K.H. Fang, Z.Y. Sun, M. Wang Yu. A. Litvinov, T. Yamaguchi, P. Egelhof, Y.H. Zhang, X.H. Zhou,
  • 雑誌名: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 巻: 948 ページ: 162848-162848
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.162848
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] New test of modulated electron capture decay of hydrogen-like 142Pm ions: Precision measurement of purely exponential decay (2019)
  • 著者名/発表者名: F.C. Ozturk, B. Akkus, D. Atanasov, H. Beyer, F. Bosch, D. Boutin, C. Brandau, P. Buehler, R.B. Cakirli, R.J. Chen, et al.
  • 雑誌名: Phys. Lett. B 巻: 797 ページ: 134800-134800
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2019.134800
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Masses of neutron-rich 52-54Sc and 54,56Ti nuclides: The N = 32 subshell closure in scandium (2019)
  • 著者名/発表者名: X. Xu, M. Wang, K. Blaum, J. D. Holt, Yu. A. Litvinov, A. Schwenk, J. Simonis, S. R. Stroberg, Y. H. Zhang, H. S. Xu, et l.
  • 雑誌名: Phys. Rev. C 巻: 99 号: 6 ページ: 064303-064303
  • DOI: 10.1103/physrevc.99.064303
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mass measurements of neutron-deficient Y, Zr, and Nb isotopes and their impact on rp and νp nucleosynthesis processes (2018)
  • 著者名/発表者名: Y.M. Xing, K.A. Li, Y.H. Zhang, X.H. Zhou, M. Wang, Yu.A. Litvinov, K. Blaum, S. Wanajo, S. Kubono, G. Martinez-Pinedo, et al.
  • 雑誌名: Phys. Lett. B 巻: 781 ページ: 358-363
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2018.04.009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Masses of the Tz = －3/2 nuclei 27P and 29S (2018)
  • 著者名/発表者名: C. Y. Fu, Y. H. Zhang, X. H. Zhou, M. Wang, Yu. A. Litvinov, K. Blaum, H. S. Xu, X. Xu, P. Shuai, Y. H. Lam, et al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. C 巻: 98 号: 1 ページ: 014315-014315
  • DOI: 10.1103/physrevc.98.014315
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Isochronous mass measurements of Tz = -1 fp-shell nuclei from projectile fragmentation of 58Ni (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. H. Zhang, P. Zhang, X. H. Zhou, M. Wang, Yu. A. Litvinov, H. S. Xu, X. Xu, P. Shuai, Y. H. Lam, R. J. Chen, et al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. C 巻: 98 号: 1 ページ: 014319-014319
  • DOI: 10.1103/physrevc.98.014319
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Application of isochronous mass spectrometry for the study of angular momentum population in projectile fragmentation reactions (2017)
  • 著者名/発表者名: X. L. Tu, A. Kelic-Heil, Yu. A. Litvinov, Zs. Podolyak, Y. H. Zhang, W. J. Huang, H. S. Xu, K. Blaum, F. Bosch, R. J. Chen, et al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. C 巻: 95 号: 1 ページ: 014610-014610
  • DOI: 10.1103/physrevc.95.014610
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-precision QEC values of super allowed 0+ -> 0+ b-emitters 46Cr, 50Fe, and 54Ni (2017)
  • 著者名/発表者名: P. Zhang, X. Xu, P. Shuai, R.J. Chen, X.L. Yan, Y.H. Zhang, M. Wang, Yu.A. Litvinov, K. Blaum, H.S. Xu, et al.
  • 雑誌名: Phys. Lett. B 巻: 767 ページ: 20-24
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2017.01.039
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nuclear-matter radius studies from 58Ni(α,α) experiments at the GSI Experimental Storage Ring with the EXL facility (2017)
  • 著者名/発表者名: J. C. Zamora, T. Aumann, S. Bagchi, S. Boenig, M. Csatlos, I. Dillmann, C. Dimopoulou, P. Egelhof, V. Eremin, T. Furuno, et al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. C 巻: 96 号: 3 ページ: 034617-034617
  • DOI: 10.1103/physrevc.96.034617
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Half-life measurement of short-lived 94mRu44+ using isochronous mass spectrometry (2017)
  • 著者名/発表者名: Q. Zeng, M. Wang, X. H. Zhou, Y. H. Zhang, X. L. Tu, X. C. Chen, X. Xu, Yu. A. Litvinov, H. S. Xu, K. Blaum, et al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. C 巻: 96 号: 3 ページ: 031303-031303
  • DOI: 10.1103/physrevc.96.031303
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 稀少RIリングのためのプラスチックシンチレータを用いた位置検出器の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 濱川大貴
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 稀少RIリングにおける周回周期の測定のためのデルタ線検出器の性能評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 梶木大輔
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] New experimental plan and detector R&D at the Rare-RI Ring facility (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: China-Japan Collaboration Workshop on "Nuclear Mass and Life for Unraveling Mysteries of R-process”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ILIMA status report and phase-0 program (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: Nuster Week 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 極低温静電型イオン蓄積リングRICEを用いたN2O+の輻射振動冷却II (2019)
  • 著者名/発表者名: 廣田彩音
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 稀少RIリングのためのファイバーシンチレーション検出器の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 稲田康人
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 稀少RIリングのための薄膜を利用した位置検出器の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 細井駿
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 極低温静電型イオン蓄積リングRICEによるN2O+の振動冷却測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 廣田彩音
  • 学会等名: 2019年原子衝突学会44回年会
• [学会発表] Status of RIKEN Ring (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: NucAR collaboration meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rare-RI Ring project in RIKEN and a proposal at CSRe (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: Symposium on Precision Physics Experiments with Stored Highly Charged Ions at Low Energies
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Precision mass spectrometry of stored exotic nuclei (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: 重力波マルチメッセンジャー研究会「重力波観測時代のrプロセスと不安定核」
  • 招待講演
• [学会発表] 稀少RIリングを用いたウラン核分裂片の質量測定実験のデータ解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大甕舜一朗
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会（東京理科大学野田キャンパス）
• [学会発表] Storage-ring mass spectrometry of exotic nuclei (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: International symposium on RI beam physics in the 21st century: 10th anniversary of RIBF
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ILIMA project: isomeric beams, lifetimes and masses at the FAIR storage rings (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: 10th International Conference on Nuclear Physics at Storage Rings
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ILIMA status report (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: NUSTAR week 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 稀少RIリングの質量測定の現状 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大甕舜一朗
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会（宇都宮大学峰キャンパス）
• [学会発表] Storage-ring mass spectrometry at GSI/FAIR (2017)
  • 著者名/発表者名: 山口貴之
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会（宇都宮大学峰キャンパス）