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核物質内クラスター生成機構の総合的解明

研究課題

研究課題/領域番号 21H04975
研究種目

特別推進研究

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

上坂 友洋  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (60322020)

研究分担者 緒方 一介  九州大学, 理学研究院, 教授 (50346764)
銭廣 十三  京都大学, 理学研究科, 准教授 (70529057)
黒澤 俊介  東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (80613637)
研究期間 (年度) 2021-05-18 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
638,170千円 (直接経費: 490,900千円、間接経費: 147,270千円)
2025年度: 22,750千円 (直接経費: 17,500千円、間接経費: 5,250千円)
2024年度: 22,750千円 (直接経費: 17,500千円、間接経費: 5,250千円)
2023年度: 47,450千円 (直接経費: 36,500千円、間接経費: 10,950千円)
2022年度: 453,700千円 (直接経費: 349,000千円、間接経費: 104,700千円)
2021年度: 91,520千円 (直接経費: 70,400千円、間接経費: 21,120千円)
キーワード原子核物質 / クラスター / ノックアウト反応 / アルファ崩壊 / 陽子中性子相関 / GAGG:Ce
研究開始時の研究の概要

物質は一様性を破る指向を内在しているのか?本研究では、ノックアウト反応という手法を用い、原子核世界での一様性の破れであるアルファ粒子や重陽子などのクラスター発現機構の研究を行う。本研究は、カルシウム領域から鉛領域に渡る重い原子核に対する初めてのクラスター研究であり、アルファ崩壊の元となるアルファ・クラスター形成、クラスター形成が超新星爆発に与える影響などの解明を目指す。

研究実績の概要

本研究では、核物質内で陽子や中性子が「クラスター」構造を形成する現象を、ノックアウト反応と呼ばれる研究手法を用いて解明する。2022年度は昨年度行った検出器の性能評価と全体設計をベースに、GAGG:Ceシンチレータの製作とシリコントラッカーの詳細設計、読み出しエレクトロニクスの整備と開発を進めた。GAGG:Ceは35×35×120立方mmの結晶を72本作成した。作成済の20本及び韓国基礎科学研究所から提供されることとなった10本と合わせた配置により、方位角の約75%を覆う大立体角検出器アレイの建設を進める。GAGG:Ceからのシンチレーション光を検出する光センサーは、その後の検討により、光収集効率の位置依存性を最小化できる28mm角の光ダイオードを用いることとした。シリコントラッカーについては、100μm厚、100μmピッチのストリップ検出器をベースに、アクセプタンスを最大化できるフレキシブル基板を用いたデザインを採用することとした。以上に加え、必要となる読み出しエレクトロニクス・モジュールを購入し、2024年度の完成に向け検出器全体の建設を進めた。
これに加えて、原子核内のクラスター生成率決定のため、ノックアウト反応を分光手法として確立する反応理論の開発を進めた。特に束縛エネルギーが小さい、脆いクラスターのノックアウト反応を記述する連続状態離散化チャネル結合インパルス近似を開発した。これにより、α粒子のような固いクラスターに限らず、d, t, 3Heといった様々なクラスターを取り扱う大きな枠組みが構築されたことになる。
更に、今後行うノックアウト反応を用いた研究の信頼度を高く保つために、ノックアウト反応機構の理解を深化させる基準反応データ取得計画を策定し、これを250 MeV陽子ビームを用いたプロジェクトとして大阪大学核物理研究センター(RCNP)に提案し、採択された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

検出器アレイTOGAXSIの建設自体はコロナウイルス蔓延や東北地方で生じた地震等の不可避の事情により半年ほど遅れているが、本課題が国内外の原子核物理分野に及ぼした波紋は、建設の遅れを補ってあまりあるほど大きいと言って良い。過去優れた理論研究が多くなされる一方、汎用性の高い実験手法の欠如により発展が制限されていたクラスター研究に、ノックアウト反応という汎用性・生産性の高い研究手法を持ち込んだことにより、この分野が活性化された。その一端を示すのが、京大基研が2022年5月に開催した国際ワークショップでノックアウト反応を用いたクラスター研究が主要テーマの一つ取り上げられたこと、原子核物理学分野で最も重要な会議であるINPC2022で研究代表者がクラスター物理に関するプレナリ-講演を依頼されたこと、本プロジェクトの原動力となっている若手研究者3名が連続して日本物理学会若手奨励賞を受賞したことから窺われる。
原子核反応理論においても当初の想定を越えた進展がある。クラスターが分解するチャンネルの取り扱いは、本課題応募時には主としてインパルス近似に対する補正と見なしていたが、これをより積極的に非束縛クラスターなどの原子核内の一般的な二核子相関を研究するために活用する新しいアイデアとして発展しつつある。
TOGAXSIアレイの開発においても、性能評価実験で得られたGAGG:Ce無機シンチレーション検出器のパフォーマンスは当初の想定以上に高く、アレイ全体として想定以上の高い性能が出ることが期待される。現在、TOGAXSIの高い性能に着目した新しい実験、中性子過剰炭素同位体のαクラスター研究、(α,αp)反応を用いた一粒子強度の研究、多中性子状態の研究が提案されている。これらの多くは本研究課題とは関連しつつそのスコープを広げる研究であり、本研究課題が無ければ生まれなかった研究である。

今後の研究の推進方策

TOGAXSI建設においては、2023年度に反跳陽子部分とクラスター検出部分の暫定セットアップを完成させ、2024年夏までにクラスター検出部分の最終セットアップを完成させる。
2023年夏には、待望の初実験を大阪大学RCNPサイクロトロン施設にて実施できる予定となっている。この実験により、ノックアウト反応に最適な250MeVの入射エネルギーで、広い運動学領域に渡って0.5MeVを切るエネルギー分解能のクラスターノックアウト反応データが世界で初めて得られる。これを用いて、反応機構研究、クラスター構造研究を順次進める。特に、重陽子、三重陽子、3Heクラスターに対しては世界初のデータとなる。また、2023年下半期以降に、理研RIビームファクトリーSAMURAI磁気分析装置を用いて、中性子過剰カルシウム同位体(50-52Ca)に対するクラスターノックアウト反応実験を実施する。上記の反応理論を用いてクラスター生成率を決定し、論文発表を行う。その後順次中重核に対する実験研究を実施する。
以上と平行して、クラスターノックアウト反応を記述するDWIA及びCDCCIA理論の高度化を進め、重陽子ノックアウト反応における重陽子分解効果の定量的記述、t, 3Heノックアウト反応における分解効果の評価、クラスターノックアウト反応における偏極効果の理論的研究を順次進める。上記に加え、CDCCIA拡張によるダイニュートロンなどの非束縛クラスターノックアウト反応記述、DWIAを用いたクラスター誘起核子ノックアウト反応の記述など、本研究課題の発展研究に関わる理論研究を行う。
2023年度には、前哨研究より議論を行ってきたダルムシュタット工科大学のStefan Typel氏を日本に長期招聘し、核物質及び有限原子核におけるクラスター生成の議論を行う。

評価記号
中間評価所見 (区分)

A: 研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの進展が認められる

報告書

(6件)
  • 2023 研究概要(中間評価) ( PDF )   中間評価(所見) ( PDF )
  • 2022 実績報告書
  • 2021 研究概要(採択時) ( PDF )   審査結果の所見 ( PDF )   実績報告書
  • 研究成果

    (48件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (8件) 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (39件) (うち国際学会 24件、 招待講演 21件)

  • [国際共同研究] 北京大学(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] 基礎科学研究院(韓国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] ダルムシュタット工科大学(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] LPCカーン/サクレイ研究所/イレーヌ・ジョリオ・キュリー研究所(フランス)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] ダルムシュタット工科大学(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] LPCカーン/サクレイ研究所/イレーヌ・ジョリオ・キュリー研究所(フランス)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] 北京大学(中国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] 基礎物理学研究所(韓国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Importance of deuteron breakup in the deuteron knockout reaction2022

    • 著者名/発表者名
      Chazono Yoshiki、Yoshida Kazuki、Ogata Kazuyuki
    • 雑誌名

      Physical Review C

      巻: 106 号: 6 ページ: 1-10

    • DOI

      10.1103/physrevc.106.064613

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Clustering in heavy nuclei probed with knockout reactions2023

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Uesaka
    • 学会等名
      the VIth Topical Workshop on Modern Aspects in Nuclear Structure
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Theoretical studies of cluster knockout reactions, referring also to relevant experimental activities in Japan2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Yoshida
    • 学会等名
      JSPS/NRF/NSFC A3 Foresight Program "Nuclear Physics in the 21st Century"
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Clustering in heavy nuclei -- Few-body aspects of nuclear matter--2023

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Uesaka
    • 学会等名
      France-Japan Workshop
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Some recent advances in direct reaction studies2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuyuki Ogata
    • 学会等名
      International Symposium on Nuclear Spectroscopy for Extreme Quantum Systems (NUSPEQ2023)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ダイニュートロンノックアウト反応の理論的研究2023

    • 著者名/発表者名
      小川翔也
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 重陽子ノックアウト反応断面積における素過程の記述の改良2023

    • 著者名/発表者名
      茶園亮樹
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大 会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] GAGG(Ce)カロリメータの波形解析を用いた粒子識別手法の開発(1)2023

    • 著者名/発表者名
      矢野隆之
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 原子核基底状態のアルファクラスターとONOKOROプロジェクト2023

    • 著者名/発表者名
      田中純貴
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会シンポジウム講演
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] アルファ粒子ノックアウト反応による核内アルファ粒子析出確率の研究2023

    • 著者名/発表者名
      吉田数貴
    • 学会等名
      日本物理学会2023年 春季大会日本物理学会若手奨励賞受賞記念講演
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 11Li原子核中でのダイニュートロンの表面局在2023

    • 著者名/発表者名
      久保田悠樹
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会日本物理 学会若手奨励賞受賞記念講演
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Description of deuteron-induced inclusive knockout reactions2022

    • 著者名/発表者名
      Hibiki Nakada
    • 学会等名
      Mean-field and Cluster Dynamics in Nuclear Systems 2022 (MCD2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effective polarization in proton-induced alpha knockout reactions2022

    • 著者名/発表者名
      Tomoatsu Edagawa
    • 学会等名
      Mean-field and Cluster Dynamics in nuclear systems 2022 (MCD2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Importance of the breakup state of deuteron in the deuteron knockout reaction2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshiki Chazono
    • 学会等名
      Mean-field and Cluster Dynamics in Nuclear Systems 2022 (MCD2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] The ONOKORO project2022

    • 著者名/発表者名
      Juzo Zenihiro
    • 学会等名
      Mean-field and Cluster Dynamics in Nuclear Systems 2022 (MCD2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Experiments on tetra-neutron resonance2022

    • 著者名/発表者名
      Susumu Shimoura
    • 学会等名
      Mean-field and Cluster Dynamics in nuclear systems 2022 (MCD2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Surface clustering studied via knockout reactions2022

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Uesaka
    • 学会等名
      International Symposium “Developments of Physics of Unstable Nuclei (YKIS2022b)"
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The ESPRI/ONOKORO project2022

    • 著者名/発表者名
      Juzo Zenihiro
    • 学会等名
      ECT* Nuclear physics at the edge of stability
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ONOKORO project --knockout reaction studies of clusters in heavy nuclei--2022

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Uesaka
    • 学会等名
      International Conference on Direct Reactions with Exotic Beams (DREB2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Surface localization of the dineutron in nuclei2022

    • 著者名/発表者名
      Yuki Kubota
    • 学会等名
      Halo Week 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The ESPRI/ONOKORO project2022

    • 著者名/発表者名
      銭廣十三
    • 学会等名
      RCNP研究会「低エネルギー核物理と高エネルギー天文学で 読み解く中性子星」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Recent progress and perspectives of the alpha clustering studied by the knockout reaction2022

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Yoshida
    • 学会等名
      The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Clustering phenomena in dilute neutron-rich matter2022

    • 著者名/発表者名
      Junki Tanaka
    • 学会等名
      The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of TOGAXSI Array2022

    • 著者名/発表者名
      Ryotaro Tsuji
    • 学会等名
      SAMURAI International Collaboration Workshop 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 3He・t クラスターの研究に向けた3He・t分解効果の系統的解析2022

    • 著者名/発表者名
      小川翔也
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Recent progress in nuclear cluster physics2022

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Uesaka
    • 学会等名
      The 28th International Conference of Nuclear Physics (INPC2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高阻止能 セラミクスシンチレータの探索2022

    • 著者名/発表者名
      黒澤 俊介
    • 学会等名
      2022年第83回応用物理学会秋季学術講演
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 核内核子対のプローブとしてのノックアウト反応2022

    • 著者名/発表者名
      茶園亮樹
    • 学会等名
      RCNP研究会「微視的系と巨視的系における核子対凝縮相」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ノックアウト反応と核子相関2022

    • 著者名/発表者名
      緒方一介
    • 学会等名
      RCNP研究会「微視的系と巨視的系における核子対凝 縮相」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Development of silicon-strip for cluster knockout reactions2022

    • 著者名/発表者名
      Koshi Higuchi
    • 学会等名
      International Conference on Electromagnetic Isotope Separator and Related topics (EMIS 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of large GAGG:Ce calorimeter for measurements of the cluster knockout reactions2022

    • 著者名/発表者名
      Ryotaro Tsuji
    • 学会等名
      International Conference on Electromagnetic Isotope Separator and Related topics (EMIS 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Detector array TOGAXSI for inverse-kinematics clusters and nucleon knockout reaction experiment2022

    • 著者名/発表者名
      Junki Tanaka
    • 学会等名
      International Conference on Electromagnetic Isotope Separator and Related topics (EMIS 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Knockout reaction mechanism and developments; What we can (not) do and what we need2022

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Yoshida
    • 学会等名
      Reimei workshop on "Unveiling nuclear shells and correlations in exotic nuclei through knockout reactions"
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Knockout reaction with exotic beams2022

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Yoshida
    • 学会等名
      The JPS-KPS Joint Symposium on Nuclear Physics with RI Beams, KPS 70th Anniversary and 2022 Fall Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ノックアウト反応で探る原子核クラスター構造2022

    • 著者名/発表者名
      吉田数貴
    • 学会等名
      ELPH研究会C033「ハドロン分光に迫る反応 と構造の物理」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] TOGAXSI : a new detector array for inverse-kinematics of cluster and nucleon knock-out reaction experiments2022

    • 著者名/発表者名
      田中純貴
    • 学会等名
      NRF/NSFC/JSPS A3 Foresight Program “Nuclear Physics in the 21st Century”2022 Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] クラスターノックアウト反応に向けた荷電粒子用シリコン・ ストリップ検出器の開発2022

    • 著者名/発表者名
      樋口浩志
    • 学会等名
      日本物理学会, 2022年春季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 希薄な中性子過剰核物質におけるアルファクラスター形成2022

    • 著者名/発表者名
      田中純貴
    • 学会等名
      日本物理学会2022年春季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高エネルギー荷電粒子測定のためのGAGGシンチレーターの 開発2021

    • 著者名/発表者名
      辻崚太郎
    • 学会等名
      日本物理学会, 2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Alpha clustering in dilute neutron rich matter2021

    • 著者名/発表者名
      田中純貴
    • 学会等名
      International Symposium on Nuclear Symmetry Energy   (NuSym2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2021-05-21   更新日: 2025-04-17  

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