中性子星元素合成解明のための新手法を用いた中性子捕獲反応率決定

• 研究課題/領域番号: 21H01114
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所 (2022-2023); 立教大学 (2021)
• 研究代表者: 栂野 泰宏 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 (20517643)
• 研究分担者: 中村 隆司 東京工業大学, 理学院, 教授 (50272456)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円); 2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2021年度: 15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円)
• キーワード: 実験核物理 / 中性子過剰核 / 中性子捕獲反応 / 元素合成 / 不安定核 / 実験物理学 / 実験各物理

研究開始時の研究の概要

鉄を超える重い元素の起源は未だ謎に包まれている。本研究ではそのような重い元素の合成に重要な中性子過剰な放射性同位体の中性子捕獲反応率のデータを新たな手法を用いて測定し、重い元素の起源の解明を目指す。放射性同位体の中性子捕獲反応の測定は本来非常に難しいが、本研究では陽子を原子核から抜き出す陽子ノックアウト反応を用いた励起エネルギー測定とガンマ線測定を組み合わせることによって高効率で中性子捕獲反応率を測定を可能とする。この新手法を可能とするため、既存のガンマ線検出器の回路システムを刷新する。

研究成果の概要

本研究では中性子星合体で起こる元素合成過程の解明するために、その元素合成に関与する多数の中性子過剰核の中性子捕獲反応率を間接的に決定する新手法を開発し、それを用いて様々な核の中性子捕獲反応率を決定することを目指した。新手法に必要な陽子とガンマ線の同時検出する新検出器を開発し、量子科学技術研究開発機構HIMACでプロトタイプを用いてテスト実験を行い、さらにRIBFでフルセットアップを用いて中性子過剰核を用いた実験を行った。またRIBFに新手法を中性子捕獲反応率が既知の核に適用する実験を提案し、3日間のビームタイムを得た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

鉄より重い重元素の起源は自然科学の大きな問題の1つである。中性子星合体が重元素の起源天体の1つであるが、その元素合成過程の詳細は原子核反応の不定性が原因の1つとなり未だ不明である。本研究の新手法を用いれば原子核反応の1つである中性子捕獲反応の不定性を小さくすることができ、中性子星合体における重元素合成過程の詳細な議論が可能となる。

研究成果

• [国際共同研究] オスロ大学(ノルウェー)
• [国際共同研究] ダルムシュタット工科大学(ドイツ)
• [国際共同研究] LPC CAEN(フランス)
• [国際共同研究] オスロ大学(ノルウェー)
• [国際共同研究] オスロ大学(ノルウェー)
• [雑誌論文] Onset of collectivity for argon isotopes close to N=32 (2024)
  • 著者名/発表者名: Linh B. D.、Corsi A.、Gillibert A.、Obertelli A.、Doornenbal P.、Barbieri C.、Duguet T.、G?mez-Ramos M.、Holt J. D.、Hu B. S.、Miyagi T.、Moro A. M.、Navratil P.、Ogata K.、P?ru S.、Phuc N. T. T.、Shimizu N.、Soma V.、Utsuno Y. et al.
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 109 号: 3 ページ: 0343211-15
  • DOI: 10.1103/physrevc.109.034312
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mass, Spectroscopy, and Two-Neutron Decay of 16Be (2024)
  • 著者名/発表者名: Monteagudo B.、Marqus F.M.、Gibelin J.、Orr N.A.、Corsi A.、Kubota Y.、Casal J.、Gmez-Camacho J.、Kobayashi N.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 132 号: 8 ページ: 0825011-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.132.082501
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Study of Gamow-Teller giant resonance in 11Li drip-line nucleus (2024)
  • 著者名/発表者名: L. Stuhl, T. Nakamura, Y. Togano
  • 雑誌名: IL NUOVO CIMENTO C 巻: 47 ページ: 391-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electric dipole strength of_52Ca (2024)
  • 著者名/発表者名: Y. Togano, T. Nakamura et al.
  • 雑誌名: IL NUOVO CIMENTO C 巻: 47 ページ: 301-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Level structures of 56,58Ca cast doubt on a doubly magic 60Ca (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Chen, F. Browne, P. Doornenbal, J. Lee, A. Obertelli, Y. Tsunoda, T. Otsuka, Y. Chazono, G. Hagen, J. D. Holt, G. R. Jansen, K. Ogata, N. Shimizu, Y. Utsuno, K. Yoshida et al.
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 843 ページ: 138025-138025
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2023.138025
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Shape coexistence in 66Se (2023)
  • 著者名/発表者名: Z. Elekes, V. Panin, T.R. Rodrテュguez, K. Sieja, D.S. Ahn, A. Al-Adili, H. Baba, A.I. Stefanescu, K.J. Cook, N. Fukuda, J. Gao, J. Gibelin, K.I. Hahn, S.W. Huang, T. Isobe, D. Kim, T. Kobayashi, Y. Kondo, et al.
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 844 ページ: 1230721-6
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2023.138072
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] First observation of 28O (2023)
  • 著者名/発表者名: Kondo Y. et al.
  • 雑誌名: Nature 巻: 620 号: 7976 ページ: 965-970
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06352-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] STRASSE: a silicon tracker for quasi-free scattering measurements at the RIBF (2023)
  • 著者名/発表者名: H.N. Liu, F. Flavigny, H. Baba, T.Nakamura, et al.
  • 雑誌名: The European Physical Journal A 巻: 59 号: 6 ページ: 1211-26
  • DOI: 10.1140/epja/s10050-023-01018-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Validation of the 10Be Ground-State Molecular Structure Using 10Be(p,pα)6He Triple Differential Reaction Cross section Measurements (2023)
  • 著者名/発表者名: P.J. Li et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 131 号: 21 ページ: 212501-212501
  • DOI: 10.1103/physrevlett.131.212501
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multiple mechanisms in proton-induced nucleon removal at ~100 MeV/nucleon (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Pohl, Y. L. Sun, A. Obertelli, J. Lee, M. Gomez-Ramos, K. Ogata, K. Yoshida et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130 号: 17 ページ: 172501-172501
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.172501
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Intruder configurations in 29Ne at the transition into the island of inversion: Detailed structure study of 28Ne (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Wang, M. Yasuda, Y. Kondo, T. Nakamura, J. A. Tostevin, K. Ogata, T. Otsuka, A. Poves, N. Shimizu, K. Yoshida et al.
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 843 ページ: 138038-138038
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2023.138038
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of the Exotic 0+2_Cluster State in_8He (2023)
  • 著者名/発表者名: Z. H. Yang, T. Nakamura, Y. Togano
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 131 号: 24 ページ: 2425011-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.131.242501
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Silicon tracker array for RIB experiments at SAMURAI (2022)
  • 著者名/発表者名: A.I.Stefanescu, Y. Togano, T. Nakamura et al.
  • 雑誌名: European Physcal Journal A 巻: 58 号: 11 ページ: 2231-9
  • DOI: 10.1140/epja/s10050-022-00873-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Extended p3/2 Neutron Orbital and the N = 32 Shell Closure in 52Ca (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Enciu, H.N. Liu, A. Obertelli, P. Doornenbal, F. Nowacki, K. Ogata, A. Poves, K. Yoshida, et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 129 号: 26 ページ: 2625011-7
  • DOI: 10.1103/physrevlett.129.262501
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of a correlated free four-neutron system (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Duer, T. Nakamura, Y. Togano et al.
  • 雑誌名: Nature 巻: 606 号: 7915 ページ: 678-682
  • DOI: 10.1038/s41586-022-04827-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Unbound states in 17C and p-sd shell-model interactions (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Kim, T. Nakamura, Y. Togano et al.
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 836 ページ: 1376291-7
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2022.137629
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Isoscaling in central Sn+Sn collisions at 270 MeV/u (2022)
  • 著者名/発表者名: Lee J. W.、Tsang M. B.、Tsang C. Y.、Wang R.、Barney J.、Estee J.、Isobe T.、Kaneko M.、Kurata-Nishimura M.、Lynch W. G.、Murakami T.、Ono A.、Souza S. R.、et al.
  • 雑誌名: The European Physical Journal A 巻: 58 号: 10 ページ: 201-201
  • DOI: 10.1140/epja/s10050-022-00851-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of 39Na (2022)
  • 著者名/発表者名: D.S. Ahn, T. Nakamura et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 129 号: 21 ページ: 2125021-7
  • DOI: 10.1103/physrevlett.129.212502
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] "Southwestern" boundary of the N=40 island of inversion: First study of low-lying bound excited states in 59V and 61V (2022)
  • 著者名/発表者名: Z. Elekes, M. M. Juhasz, D. Sohler, K. Sieja, K. Yoshida, et al.
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 106 号: 6 ページ: 0643211-10
  • DOI: 10.1103/physrevc.106.064321
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A first glimpse at the shell structure beyond 54Ca: Spectroscopy of 55K, 55Ca, and 57Ca (2022)
  • 著者名/発表者名: Koiwai T.、Wimmer K.、Doornenbal P.、Obertelli A.、Barbieri C.、Duguet T.、Holt J.D.、Miyagi T.、Navratil P.、Ogata K.、Shimizu N.、Soma V.、Utsuno Y.、et al.
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 827 ページ: 136953-136953
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2022.136953
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Border of the island of inversion: Unbound states in 29Ne (2022)
  • 著者名/発表者名: Holl M.、Lindberg S.、Heinz A.、Kondo Y.、Nakamura T.、Tostevin J. A.、Wang H.、Nilsson T.、Achouri N. L.、Al Falou H.、Atar L.、Aumann T.、Baba H.、Boretzky K.、Caesar C.、Calvet D.、Chae H.、Chiga N.、Corsi A.、Crawford H. L.、他
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 105 号: 3 ページ: 0343011-11
  • DOI: 10.1103/physrevc.105.034301
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pairing Forces Govern Population of Doubly Magic 54Ca from Direct Reactions (2021)
  • 著者名/発表者名: Browne F.、Chen S.、Doornenbal P.、Obertelli A.、Ogata K.、Utsuno Y.、Yoshida K.、Achouri N.L.、Baba H.、Calvet D.、Chateau F.、Chiga N.、Corsi A.、Cortes M.L.、Delbart A.、Gheller J-M.、Kondo Y., 他
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 126 号: 25 ページ: 2525011-7
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.252501
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] First spectroscopic study of 63V at the N=40 island of inversion (2021)
  • 著者名/発表者名: Juhasz M. M.、Elekes Z.、Sohler D.、Sieja K.、Yoshida K.、Ogata K.、Doornenbal P.、Obertelli A.、Baba H.、Browne F.、Calvet D.、Chateau F.、Chen S.、Chiga N.、Corsi A.、Cortes M. L.、Delbart A.、Gheller J.-M.、Giganon A.、Gillibert A.、Kondo Y, 他
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 103 号: 6 ページ: 0643081-9
  • DOI: 10.1103/physrevc.103.064308
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Investigation of the ground-state spin inversion in the neutron-rich 47,49Cl isotopes (2021)
  • 著者名/発表者名: Linh B. D.、Corsi A.、Gillibert A.、Obertelli A.、Doornenbal P.、Barbieri C.、Chen S.、Chung L. X.、Duguet T.、Gomez-Ramos M.、Holt J. D.、Moro A.、Navratil P.、Ogata K.、Phuc N. T. T.、Shimizu N.、Soma V.、Utsuno Y.、Achouri N. L.、Baba H.、Kondo Y., 他
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 104 号: 4 ページ: 0443311-16
  • DOI: 10.1103/physrevc.104.044331
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Rapidity distributions of Z=1 isotopes and the nuclear symmetry energy from Sn+Sn collisions with radioactive beams at 270 MeV/nucleon (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaneko M.、Murakami T.、Isobe T.、Kurata-Nishimura M.、Ono A.、Ikeno N.、Barney J.、Cerizza G.、Estee J.、Jhang G.、Lee J.W.、Lynch W.G.、Santamaria C.、Tsang C.Y.、Tsang M.B.、Wang R.、Ahn D.S.、Atar L.、Aumann T.、Baba H.、Kondo Y., 他
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 822 ページ: 1366811-8
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136681
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Experimental Study of 4n by Directly Detecting the Decay Neutrons (2021)
  • 著者名/発表者名: Huang S.W., Nakamura T., Togano Y., et al.
  • 雑誌名: Few-Body Systems 巻: 62 号: 4 ページ: 1021-7
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01691-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Probing the Symmetry Energy with the Spectral Pion Ratio (2021)
  • 著者名/発表者名: Estee J., Lynch W. G., Nakamura T., Togano Y., et al.
  • 雑誌名: Physical Revew Letters 巻: 126 号: 16 ページ: 1627011-8
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.162701
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Halo and deformation in 31Ne revealed by Coulomb and nuclear breakup reactions (2024)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: Reimei Workshop “Intersection of Nuclear Structure and Direct Reaction”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CsI(Na) array CATANA to measure protons and gamma-rays (2023)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Togano
  • 学会等名: Direct reactions and spectroscopy with hydrogen targets: post 10 years at the RIBF and future prospects
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electric dipole response of exotic nuclei studued by virtual photon scattering (2023)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Togano
  • 学会等名: The Fourth International Conference on Nuclear Pho- tonics (Nuclear Photoncs 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electric dipole response of 52Ca - low-lying dipole strength - (2023)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Togano
  • 学会等名: 7th International Conference on Collective Motion in Nuclear under Extreme Conditions (COMEX7)
  • 国際学会
• [学会発表] Coulomb and nuclear breakup reactions of a halo nucleus 31Ne (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura, Takato Tomai, Yosuke Kondo
  • 学会等名: 6th Joint meeting of the APS division of Nuclear Physics and the Physical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Short-range correlation study of unstable nuclei using (p,pd) reaction (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: 5th International Workshop on Quasi-Free Scattering with Radioactive-Ion Beams 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of 28O: What’s next? (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: The past, Present, and Future of Nuclear Structure Theory in the FRIB ERA
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Study of neutron and proton density distribution and single particle states using the (p,pn) and (p,2p) reactions (2023)
  • 著者名/発表者名: Yohei Matuda, Takashi Nakamura
  • 学会等名: SAMURAI International Collaboration Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] DayOne-SAMURAI03, Halo Coulomb breakup-Analysis Update-17B,22C (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: SAMURAI International Collaboration Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] A New Generation Neutron Detector Array (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: SAMURAI International Collaboration Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Exploring multi-neutron systems at SAMURAI at RIBF (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: Direct reactions and spectroscopy with hydrogen targets: past 10 years at the RIBF and future prospects
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Weakly bound and unbound nuclei near and beyond the neutron drip line (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: International Symposium on Physics of Unstable Nuclei 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Exploring neutron-rich extremes of the nuclear landscape (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: UK Nuclear Physics Conference (IOP)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectroscopy of neutron-rich nuclei near and beyond the neutron dripline (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: International Workshop on Clustering Aspects in Nuclei and Reactions
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectroscopy of weakly bound and unbound nuclei (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: 3rd Japan-France Workshop: Few-body problems in Physics - from atoms to quarks
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multi-neutron clusters (2023)
  • 著者名/発表者名: 中村隆司
  • 学会等名: 第8回クラスター階層領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Oslo法と(p,2p)反応を用いた中性子過剰核の中性子捕獲反応測定計画 (2022)
  • 著者名/発表者名: 栂野泰宏
  • 学会等名: 中性子捕獲反応で迫る宇宙の元素合成
• [学会発表] Investigation of neutron capture reactions in r- process by (p,2p)-Oslo method (2022)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Togano
  • 学会等名: INTPART mini workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectroscopy of nuclei near and beyond the neutron dripline (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: ECT* Workshop on nuclear physics at the edge of stability
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Specctroscopy of neutron dripline nuclei (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: Symposium: Development of Physics of Unstable Nuclei (YKIS2022b)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Secondary beams form 40Ar and 48Ca (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: 40Ar Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Study of exotic nuclei along the neutron dripline and beyond (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: 2021 CAP (Canadian Association of Physics) Virtual Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Study of dripline phenomena using SAMURAI at RIBF (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: ECT* Workshop on Nuclear Physics at the edge of stability
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Exploring Extremes of the Nuclear Landsacpe (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakamura
  • 学会等名: PERFIK 2021 (Malaysian Physics Society Meeting)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 中性子ドリップライン近傍核に出現するダイニュートロン (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村隆司
  • 学会等名: 物質階層を横断する会「ダイニュートロン」
  • 招待講演
• [学会発表] 量子クラスターで読み解く物質の階層構造-最近の進展 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村隆司
  • 学会等名: クラスター階層、第６回領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Clustering as a window on the hierarchical structure of quantum systems - Opening remarks (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村隆司
  • 学会等名: クラスター階層、第７回領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Determination of neutron capture cross sections on neutron-rich Cd isotopes (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Togano
  • 学会等名: International SAMURAI collaboration workshop 2021
  • 国際学会