エキゾチック核の励起状態の構造解明に向けた革新的な蓄積リング法の開拓

• 研究課題/領域番号: 21H04461
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分15:素粒子、原子核、宇宙物理学およびその関連分野
• 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, 教授 (10375595)
• 研究分担者: 森口 哲朗 筑波大学, 数理物質系, 助教 (10635890) ; 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)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 41,730千円 (直接経費: 32,100千円、間接経費: 9,630千円); 2024年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2023年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2022年度: 14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円); 2021年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円)
• キーワード: 蓄積リング / 多価イオン / 半径 / 寿命

研究開始時の研究の概要

理研RIBFの大強度ビームによってエキゾチック核の多彩な物理が花開いている。我々は核半径の系統的な測定を通して、エキゾチック核で半径が増大する現象を研究してきた。さらに陽子半径と中性子半径を分離する方法を開発した。また一方で、エキゾチック核のみ選択して貯蔵できる、新しい蓄積リングを建設し、質量精密測定を進めている。本研究は、これらの反応実験と蓄積リング実験を結びつけ、新しい核分光法を確立する。具体的には次の2点：長寿命励起状態の半径測定および寿命変化を測定する。エキゾチック核の励起状態の構造を解き明かすことで、多彩な様相を呈する原子核の微視的相互作用の定量化に貢献する。

研究実績の概要

陽子/中性子比が極めて異なるエキゾチック原子核の構造進化は、量子多体系としての原子核構造そのものの興味のみならず、中性子星などの極限下の宇宙元素合成における素過程を左右するホットな話題である。本研究は、理研の蓄積リング実験を用いて、通常のビームライン実験では不可能な、新しい実験方法論を確立する。具体的には、電子を纏わないエキゾチック核を蓄積リングに貯蔵し、変形共存として知られる長寿命励起状態の質量と寿命を飛行中に観測する。同時に、この識別された励起状態を直接ビームとして使用し断面積測定することで、基底状態と励起状態の半径を独立に決定する。
理研の蓄積リングは、入射キッカー電磁石の動作安定性に問題があったため、2023年度これを修理し長時間の安定動作の検証実験を行った。また入射効率を改善するために垂直方向のステアリング磁石を導入した。寿命測定用の新型ショットキーのオフライン試験を完了させ、蓄積リングの真空内に導入した。これまでと比べて約30倍の信号強度の向上が期待できる（物理学会発表）。これらの作業を完成させ、2024年度にビーム実験を行う予定である。
予備実験として進めていたHIMAC加速器での実験は共同利用の縮小のため進んでいないが、44Tiの荷電変化断面積を国内最高エネルギー700MeV/uにて精密測定することに成功した。また、キッカー電磁石の修理に伴い、ビーム診断系としてプラスチックシンチレーターとファイバーを組み合わせた位置検出器を完成させた。さらに蓄積リング内の周回粒子のモニター検出器として開発してきたデルタ線を利用した飛行時間検出器の性能を改良し（時間分解能<100ps）、汎用検出器として使えるようにした。本年度課題申請を行い、来年度ビーム実験を予定している。これまでの開発とHIMACでの予備実験により準備は整っている。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初予期していなかった蓄積リングの修理作業に時間がかかったためビーム実験できなかったが、2023年度に修理完了した。同時に関連するビーム診断系検出器や補正磁石の開発を行い、要求性能を満たすことができた。寿命測定のためのショットキー検出器はこれまでの10倍以上の性能を出すことに成功した。

今後の研究の推進方策

2023年度は蓄積リングのキッカー電磁石の改善修理を完成した。1週間の長期安定動作試験もクリアした。入射効率改善のための垂直ステアリング磁石を完成させた。シミュレーションでは入射効率を数倍向上させることができる。高感度ショットキー検出器の開発も順調である。これらのビーム試験を2024年度前半に行う。
ショットキー検出器については、GSIと共同で新型の位置感度型を開発中である。年度後半にはドイツから輸送して導入予定である。また、2023年度に行った課題申請で2日間のビームタイムが認められているため、このタイミングでビーム実験を予定している。この実験は本研究テーマの前哨戦となるものである。Pbビームを用いる予定である。十分な統計は得られないだろうが、新規に導入した検出器の動作や蓄積リングの性能向上を検証し、質量と寿命の測定を行う予定である。質量、半径、寿命の同時測定のための実験課題は実験準備が整ったので、本年度あらためて課題採択委員会に申請する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] GSI研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] Univ. of Surrey(英国)
• [国際共同研究] IJCLAB(フランス)
• [国際共同研究] IMP(中国)
• [国際共同研究] GSI(ドイツ)
• [雑誌論文] Ground-state mass of 22Al and test of state-of-the-art ab initio calculations (2024)
  • 著者名/発表者名: M.Z. Sun, Y. Yu, X.P. Wang, M. Wang, J.G. Li, Y.H. Zhang, K. Blaum, Z.Y. Chen, R.J. Chen, H.Y. Deng, et al.
  • 雑誌名: Chin. Phys. C 巻: 48 号: 3 ページ: 034002-034002
  • DOI: 10.1088/1674-1137/ad1a0a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Charge-changing cross sections for mirror nuclear pair, $$^{22}$$Ne and $$^{22}$$Mg (2024)
  • 著者名/発表者名: Ishitani Soshi, Fukuda Mitsunori, Fukutome Miki et al.
  • 雑誌名: Interactions 巻: 245 号: 1 ページ: 65-65
  • DOI: 10.1007/s10751-024-01874-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proton capture on stored radioactive 118Te ions (2023)
  • 著者名/発表者名: S. F. Dellmann, J. Glorius, Y. A. Litvinov, R. Reifarth, K. Al-Khasawneh, M. Aliotta, L. Bott, B. Brueckner, C. Bruno, R. J. Chen, et al.
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 279 ページ: 11018-11018
  • DOI: 10.1051/epjconf/202327911018
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Precision experiments with heavy-ion storage rings (2023)
  • 著者名/発表者名: Yu.A. Litvinov, J. Glorius, M. Steck, Th. Stoehlker. K. Blaum, C.C. Bruno, P.J. Woods, I. Dillmann, B. Jurado, W. Korten, X. Ma, Y. Zhang, R. Reifarth, P. Walker, T. Yamaguchi
  • 雑誌名: Acta Phys. Pol. B suppl. 巻: 16 号: 4 ページ: 1-1
  • DOI: 10.5506/aphyspolbsupp.16.4-a25
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Storage, accumulation and deceleration of secondary beams for nuclear astrophysics (2023)
  • 著者名/発表者名: J. Glorius, Yu. A. Litvinov, M. Aliotta, F. Amjad, B. Brueckner, C.G. Bruno, R. Chen, T. Davinson, S.F. Dellmann, T. Dickel, et al.
  • 雑誌名: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 巻: 541 ページ: 190-193
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2023.04.059
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Recent achievements at the Rare-RI Ring, a unique mass spectrometer at the RIBF/RIKEN (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Naimi, Y. Yamaguchi, T. Yamaguchi, A. Ozawa
  • 雑誌名: Eur. Phys. J. A 巻: 59 号: 4
  • DOI: 10.1140/epja/s10050-023-01009-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Matter radius of the doubly-magic 56Ni measured in a storage ring (2023)
  • 著者名/発表者名: M. von Schmid, T. Aumann, S. Bagchi, S. Boenig, M. Csatlos, I. Dillmann, C. Dimopoulou, P. Egelhof, V. Eremin, T. Furuno, et al.
  • 雑誌名: Eur. Phys. J. A 巻: 59 号: 4 ページ: 83-83
  • DOI: 10.1140/epja/s10050-023-00967-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Bρ-defined isochronous mass spectrometry and mass measurements of 58Ni fragments (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Zhang, X. Zhou, M. Wang, Y. H. Zhang, Yu.A. Litvinov, H. S. Xu, R. J. Chen, H. Y. Deng, C. Y. Fu, W. W. Ge, et al.
  • 雑誌名: Eur. Phys. J. A 巻: 59 号: 2
  • DOI: 10.1140/epja/s10050-023-00928-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Isochronous mass measurements of neutron-deficient nuclei from 112Sn projectile fragmentation (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. M. Xing, C. X. Yuan, M. Wang, Y. H. Zhang, X. H. Zhou, Yu. A. Litvinov, K. Blaum, H. S. Xu, T. Bao, R. J. Chen, et al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. C 巻: 107 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevc.107.014304
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Precision measurement of the transition energy gt versus magnetic rigidity for storage-ring isochronous mass spectrometry (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Zhang, Y.H. Zhang, M. Wang, X. Zhou, Y.J. Yuan, X.L. Yan, Y.M. Xing, C.Y. Fu, R.J. Chen, X. Xu, et al.
  • 雑誌名: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 巻: 1027 ページ: 166329-166329
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.166329
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Bρ-defined isochronous mass spectrometry: An approach for high-precision mass measurements of short-lived nuclei (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Wang, M. Zhang, X. Zhou, Y. H. Zhang, Yu. A. Litvinov, H. S. Xu, R. J. Chen, H. Y. Deng, C. Y. Fu, W. W. Ge, et al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. C 巻: 106 号: 5
  • DOI: 10.1103/physrevc.106.l051301
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Charge-changing cross sections for 42-51Ca and effect of charged-particle evaporation induced by neutron-removal reactions (2022)
  • 著者名/発表者名: Tanaka M.、Takechi M.、Homma A.、Prochazka A.、Fukuda M.、Nishimura D.、Suzuki T.、Moriguchi T.、他60名
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 106 号: 1 ページ: 014617-014617
  • DOI: 10.1103/physrevc.106.014617
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] First Application of Mass Measurements with the Rare-RI Ring Reveals the Solar r-Process Abundance Trend at A=22 and A=123 (2022)
  • 著者名/発表者名: H. F. Li, S. Naimi et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 128 号: 15 ページ: 152701-1
  • DOI: 10.1103/physrevlett.128.152701
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Masses of exotic nuclei (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi T.、Koura H.、Litvinov Yu.A.、Wang M.
  • 雑誌名: Progress in Particle and Nuclear Physics 巻: 120 ページ: 103882-103882
  • DOI: 10.1016/j.ppnp.2021.103882
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Status of the laser spectroscopy and merged-beam experiments at RICE (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakano, R. Igosawa, S. Iida, S. Okada, M. Lindley, S. Menk, R. Nagaoka, T. Hashimoto, S. Yamada, T. Yamaguchi, S. Kuma, T. Azuma,
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 35 ページ: 11006-11006
  • DOI: 10.7566/jpscp.35.011006
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] First demonstration of mass measurements for exotic nuclei using Rare-RI Ring (2021)
  • 著者名/発表者名: D. Nagae, S. Omika, Y. Abe, Y. Yamaguchi, F. Suzaki, K. Wakayama, N. Tadano, R. Igosawa, K. Inomata, H. Arakawa, et al.
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 35
  • DOI: 10.7566/jpscp.35.011014
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Performance of a Time-Of-Flight detector and demonstration of a novel position-sensitive detector for mass measurements with Rare-RI Ring (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Suzuki, A. Ozawa, T. Moriguchi, M. Amano, D. Kamioka, Y. Ichikawa, Y. Tajiri, K. Hiraishi, T. Matsumoto, D. Nagae, Y. Abe, S. Naimi, H. Li, T. Yamaguchi, S. Omika, Z. Ge, K. Wakayama, N. Tadano, H. Arakawa, K. Inomata, T. Kobayashi, A. Kitagawa, S. Sato,
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 35
  • DOI: 10.7566/jpscp.35.011017
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Basic study on delta ray detection for the determination of in-ring revolution time (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Inomata, T. Yamaguchi, Y. Abe, M. Amano, H. Arakawa, T. Fujii, D. Kamioka, A. Kitagawa, H. Li, T. Moriguchi, D. Nagae, S. Omika, A. Ozawa, S. Sato, S. Suzuki, T. Suzuki, K. Wakayama,
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 35
  • DOI: 10.7566/jpscp.35.011020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Beam test on a long scintillating fiber as a position sensor in a storage ring facility (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Inomata, T. Yamaguchi, H. Arakawa, A. Kitagawa, D. Nagae, K. Nishimuro, S. Omika, S. Sato, T. Suzuki, N. Tadano, K. Wakayama,
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 35
  • DOI: 10.7566/jpscp.35.011021
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Properties of a thin YAP(Ce) scintillation counter for heavy ions (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Arakawa, Y. Yamaguchi, Y. Abe, M. Amano, K. Inomata, D. Kamioka, A. Kitagawa, H. Li, T. Moriguchi, D. Nagae, S. Omika, A. Ozawa, S. Sato, S.Suzuki, T. Suzuki, K. Wakayama,
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 35
  • DOI: 10.7566/jpscp.35.011022
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of mirror-type MCP detectors for mass measurements at the Rare-RI Ring (2021)
  • 著者名/発表者名: Z. Ge, S. Naimi, D. Nagae, Y. Abe, S. Omika, T. Uesaka, F. Suzaki, H. Li, Y. Yamaguchi, M. Wakasugi, K. Wakayama, T. Yamaguchi, A. Ozawa, H. Arakawa, K. Inomata, T. Kobayashi, K. Nishimuro, S. Suzuki, T. Moriguchi, D. Kamioka, M. Mukai, M. Amano, A. Kitagawa, S. Sato, G. Lorusso, Y. Yano,
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 35
  • DOI: 10.7566/jpscp.35.011023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A simple readout method for a position-sensitive detector using plastic scintillator bars (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Wakayama, T. Yamaguchi, Y. Abe, M. Amano, H. Arakawa, Z. Ge, K. Inomata, D. Kamioka, A. Kitagawa, T. Kobayashi, H. Li, T. Moriguchi, D. Nagae, S. Omika, A. Ozawa, S. Sato, S. Suzuki, T. Suzuki, N. Tadano,
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 35
  • DOI: 10.7566/jpscp.35.011024
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] MCP with delay-line anode used for position sensitive detector at Rare RI-Ring (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Li, Z. Ge, S. Naimi, D. Nagae, Y. Abe, T. Uesaka, F. Suzaki, M. Wakasugi, S. Omika, Y. Yamaguchi, T. Yamaguchi, K. Wakayama, H. Arakawa, K. Inomata, A. Ozawa, S. Suzuki, T. Moriguchi,
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 35
  • DOI: 10.7566/jpscp.35.011025
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of experimental devices for precise mass measurements at the Rare-RI Ring (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Omika, T. Yamaguchi, Y. Abe, M. Amano, H. Arakawa, Z. Ge, K. Inomata, D. Kamioka, H. Li, H. Miura, T. Moriguchi, D. Nagae, S. Naimi, K. Nishimuro, A. Ozawa, F. Suzaki, S. Suzuki, T. Suzuki, N. Tadano, T. Uesaka, M. Wakasugi, K. Wakayama, Y. Yanagisawa, Y. Yamaguchi,
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 35
  • DOI: 10.7566/jpscp.35.011026
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] In-ring velocity measurement for isochronous mass spectrometry (2021)
  • 著者名/発表者名: X. Zhou, M. Zhang, M. Wang, Y. H. Zhang, Y. J. Yuan, X. L. Yan, X. H. Zhou, H. S. Xu, X. C. Chen, Y. M. Xing, et al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. AB 巻: 24 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevaccelbeams.24.042802
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 稀少RIリングにおける共鳴Schottky検出器の開発現状 (2024)
  • 著者名/発表者名: 滝浦一樹
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] Reaction cross sections for proton-drip line nuclei (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Moriguchi
  • 学会等名: Workshop at Quark-Nuclear Matters in Tomonaga Center for the History of the Universe (TCHoU)
• [学会発表] Present status of the storage-ring mass spectrometer at RIBF (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: International Symposium on Stored Ions for Precision Measurement
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Challenge to exotic nuclei-Rare RI storage ring facility at RIBF (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: The 3rd International Workshop on “Origin of Elements and Cosmic Evolution:From Big-Bang to Supernovae and Mergers”(OECE2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Storage ring facilities for radioactive ions new detectors and upgrade plans (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: 4th International conference on Advances in Radioactive Isotope Science (ARIS2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Present status of the Rare-RI Ring Facility (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: RIBF Users Meeting 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Measurement of reaction cross section for 17F with a solid hydrogen target (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Moriguchi
  • 学会等名: The 4th International Conference on Advances in Radioactive Isotope Science (ARIS2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 中間エネルギー400MeV/u近傍での軽核12,13Cの荷電変化断面積の測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 古泉紫
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] アイソマービームの断面積測定実験計画２：蓄積リングを利用した反応実験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山口貴之
  • 学会等名: RIBF miniワークショップ「反応断面積の新しい展望」
  • 招待講演
• [学会発表] 荷電変化断面積測定におけるプラスチックシンチレーたを用いた放出陽子の測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 関響咲
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 80Krの荷電変化断面積のエネルギー依存性の測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大津美沙紀
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 稀少RIリングのためのGAGG:Ceシンチレータを用いた重イオンビーム飛行時間兼全エネルギー検出器の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 篠崎稔
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [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とWLSファイバーを用いた位置検出器の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 神田真矩
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 反応断面積測定のための固体重水素標的の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 矢野朝陽
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Precision experiments of exotic nuclei at the storage rings (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: Tsukuba Global Science Week 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高エネルギー重イオンビームによる粒子検出器の開発と荷電変化反応の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山口貴之
  • 学会等名: 日本量子医科学会第1回学術大会
• [学会発表] 固体水素標的を用いた反応断面積のエネルギー依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森口哲朗
  • 学会等名: 日本量子医科学会第1回学術大会