高精度直接質量測定による魔法数126をもつ中性子過剰核の閉殻構造の検証

• 研究課題/領域番号: 23K22528
• 補助金の研究課題番号: 22H01257 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 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
• 研究代表者: 石山 博恒 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, チームリーダー (50321534)
• 研究期間 (年度): 2024-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2024年度)
• 配分額: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円); 2024年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2023年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2022年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
• キーワード: 短寿命核ビーム / 高精度精密質量測定 / 原子核の魔法数 / 速い中性子捕獲過程 / 宇宙核物理 / 低速短寿命核ビーム / 精密質量測定 / r過程 / 質量測定 / 宇宙での元素合成過程

研究開始時の研究の概要

宇宙での元素合成過程において速い中性子捕獲過程(r過程)は、鉄より重い重元素の約半分を生成したと考えられていが、その起源天体と全貌は未だ未解明である。金や白金などの重元素を含むr過程第3ピークは、中性子魔法数N = 126をもつ中性子過剰核の閉殻構造に起因して生成されたと考えられているが、その周辺核の原子核特性値は依然として未測定であり、N = 126の中性子過剰核が閉殻構造を持つか否かさえ定かではない。本研究は、新たに開発したHeガスセルと多重反射型飛行時間測定装置を用いて高精度質量直接測定を行い、その系統性からr過程第3ピーク滞留核近傍まで閉殻構造が保持されているのかどうかを検証する。

研究成果の概要

宇宙での速い中性子捕獲(r)過程は、鉄より重い元素の約半分を生成し極端に中性子過剰かつ高温の環境で起こると考えられているが未解明である。そのために中性子過剰核の原子核特性値（質量、半減期等）が必須であり、r過程経路として重要な中性子魔法数126周辺に向けての高精度質量測定を試みた。結果としてN = 126核生成にはウランビームでは生成量が不十分であることが判明し鉛ビームの開発を理研仁科センターに提案、開発段階にある。一方、本研究により開発した装置により50-60短寿命核種の新規質量測定または精度の大幅向上に成功、魔法数の出現と消失の知見、r過程生成元素比の予測精度向上等の結果が得られた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

速い中性子捕獲過程の全容解明のため、中性子過剰核の系統的な高精度質量測定を開始することができた。本研究で開発した多重反射型飛行時間測定装置と高周波カーペット型ヘリウムガスキャッチャーは理研仁科センターRIBFの最下流に設置、上流で行われる主実験と並行して恒常的に質量測定が行われるようになり、RIBFの効率的な運用が可能となっている。核図表上質量未測定の短寿命核種のうち約200核種程度の高精度質量測定を今後5年間で行う予定であり、原子核の最も基礎的な量である質量を通して原子核物理学、宇宙核物理学での知見のさらなる向上が見込まれる。

研究成果

• [国際共同研究] 香港大学/Chinese Academy of Sciences/Lanzhou University(中国)
• [国際共同研究] Institute of Basic Science(韓国)
• [国際共同研究] 香港大学/Chinese Academy of Sciences/Lanzhou University(中国)
• [国際共同研究] Institute of Basic Science(韓国)
• [雑誌論文] Mass measurements of neutron-rich A~90 nuclei constrain element abundances (2024)
  • 著者名/発表者名: Xian W.、Chen S.、Nikas S.、Rosenbusch M.、Wada M.、Ishiyama H.、Hou D.、Iimura S.、Nishimura S.、Schury P.、Takamine A.、Yan S.、et al.
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 109 号: 3 ページ: 035804-035804
  • DOI: 10.1103/physrevc.109.035804
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Helium gas cell with RF wire carpets for KEK Isotope Separation System (2024)
  • 著者名/発表者名: Hirayama Y.、Mukai M.、Schury P.、Watanabe Y.X.、Iimura S.、Ishiyama H.、Jeong S.C.、Miyatake H.、Niwase T.、Rosenbusch M.、Takamine A.、Taniguchi A.、Wada M.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1058 ページ: 168838-168838
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.168838
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] First direct mass measurement for neutron-rich 112Mo with the new ZD-MRTOF mass spectrograph system (2023)
  • 著者名/発表者名: Hou D. S.、Takamine A.、Rosenbusch M.、Xian W. D.、Iimura S.、Chen S. D.、Wada M.、Ishiyama H.、Schury P.、Niu Z. M.、Liang H. Z.、Yan S. X.、Doornenbal P.、Hirayama Y.、Ito Y.、Kimura S.、Kojima T. M.、Korten W.、Lee J.、Liu J. J.、Liu Z.、Michimasa S.、Miyatake H.、Moon J. Y.、Naimi S.、Nishimura S. et al.
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 108 号: 5 ページ: 054312-054312
  • DOI: 10.1103/physrevc.108.054312
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The new MRTOF mass spectrograph following the ZeroDegree spectrometer at RIKEN’s RIBF facility (2023)
  • 著者名/発表者名: Rosenbusch M.、Wada M.、Chen S.、Takamine A.、Iimura S.、Hou D.、Xian W.、Yan S.、Schury P.、Hirayama Y.、Ito Y.、Ishiyama H.、Kimura S.、Kojima T.、Lee J.、Liu J.、Michimasa S.、Miyatake H.、Moon J.Y.、Mukai M.、Naimi S.、Nishimura S.、Niwase T.、Sonoda T.、Watanabe Y.X.、Wollnik H.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1047 ページ: 167824-167824
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.167824
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Study of the N = 32 and N = 34 Shell Gap for Ti and V by the First High-Precision Multireflection Time-of-Flight Mass Measurements at BigRIPS-SLOWRI (2023)
  • 著者名/発表者名: Iimura S.、Rosenbusch M.、Takamine A.、Tsunoda Y.、Wada M.、Chen S.、Hou D.S.、Xian W.、Ishiyama H.、Yan S.、Schury P.、Crawford H.、Doornenbal P.、Hirayama Y.、Ito Y.、Kimura S.、Koiwai T.、Kojima T.M.、Koura H.、Lee J.、Liu J.、Michimasa S.、Miyatake H.、Moon J.Y.、Naimi S.、Nishimura S. et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.012501
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of a β-TOF detector: An enhancement of the α-TOF detector for use with β-decaying nuclides (2023)
  • 著者名/発表者名: Niwase Toshitaka、Xian Wenduo、Wada Michiharu、Rosenbusch Marco、Chen Sidong、Takamine Aiko、Liu Jiajian、Iimura Shun、Hou Dongsheng、Yan Shuxiong、Ishiyama Hironobu、Miyatake Hiroari、Nishimura Shunji、Kaji Daiya、Morimoto Kouji、Hirayama Yoshikazu、Watanabe Yutaka X、Kimura Sota、Schury Peter、Wollnik Hermann
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2023 号: 3 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1093/ptep/ptad039
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Present status of SLOWRI (2024)
  • 著者名/発表者名: H. Ishiyama
  • 学会等名: SSRI-PNS collaboration meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The MRTOF mass measurement project at BigRIPS (2024)
  • 著者名/発表者名: M. Rosenbusch
  • 学会等名: "MNT2024;Exploring the heavy exotic neutron-rich nuclides via multinucleon transfer reactions"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Operation and Perspectives of the ZeroDegree Helium Gas Catcher at RIKEN (2024)
  • 著者名/発表者名: Jinn Ming Yap
  • 学会等名: "MNT2024;Exploring the heavy exotic neutron-rich nuclides via multinucleon transfer reactions"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Insights and Prospects in Shell Evolution with MR-TOF Mass Spectrometry (2024)
  • 著者名/発表者名: S. Iimura, M. Rosenbusch, A. Takamine, Y. Tsunoda, M. Wada, S. Chen, D. S. Hou, W. Xian, H. Ishiyama, et al.
  • 学会等名: JPS spring meeting, 2024
  • 招待講演
• [学会発表] Recent development of the helium-gas-filled ion catcher at BigRIPS at RIKEN RIBF (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Takamine, S. Iimura, D. Hou, J. M. Yap, M. Rosenbusch, M. Wada, H. Ishiyama, P. Schury, W. Xian, S. Chen, V. H. Phong, S. Nishimura, T. Niwase, S. Kimura, Y. Hirayama, Y. Ito, H. Miyatake, Y.X. Watanabe
  • 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] Recent high-precision atomic mass measurements from medium-mass to heavy isotopes using MRTOF-MS at RIKEN/RIBF (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Rosenbusch, A.N. Andreyev, S. Chen, Y. Hirayama, D. Hou, H. Ishiyama, S. Kimura, M. Mukai, S. Nikas, T. Niwase, P. Schury, A. Takamine, M. Wada, Y.X. Watanabe, W, Xian
  • 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] Investigating Shell Structure: Mass Measurements of Sc, Ti, and V Isotopes at new magic N = 32 and N = 34 (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Iimura, M. Rosenbusch, A. Takamine, Y. Tsunoda, M. Wada, S. Chen, D. S. Hou, W. Xian, H. Ishiyama, et al.
  • 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] Present status of SLOWRI (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Ishiyama
  • 学会等名: SSRI-PNS collaboration meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] First direct mass mesurement for neutron-rich 112Mo with the new ZD-MRTOF-MS system (2023)
  • 著者名/発表者名: D. Hou, A. Takamine, S. Iimura, M. Rosenbusch, Z. Liu, S. Chen, W. Xian, S. Yan, M. Wada, P. Schury, Y. Hirayama, H. Ishiyama, et al.
  • 学会等名: The 4th Inernational Conference on Advances in Radioactive Isotope Science, ARIS 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] RF gas catcher for the BigRIPS beams (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Takamine, S. Iimura, D. Hou, J. M. Yap, M. Rosenbusch, M. Wada, H. Ishiyama, et al.
  • 学会等名: The 14th edition of the“International Conference on Stopping and Manipulation of Ions and Related Topics (SMI-2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A first review of the SLOWRI/MRTOF-MS project at BigRIPS/ZeroDegree (2023)
  • 著者名/発表者名: ROSENBUSCH, Marco; WADA, M.; CHEN, S.; TAKAMINE, A.; IIMURA, S.; HOU, D.; XIAN, W.; YAN, S.;SCHURY, P.; HIRAYAMA, Y. ; I TO, Y.; ISHIYAMA, H. et al.
  • 学会等名: The 14th edition of the“International Conference on Stopping and Manipulation of Ions and Related Topics (SMI-2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-precision MRTOF mass measurements of radioactive isotopes at RIKEN's RIBF facility: Recent projects for mirror potentials, wideband mass accuracy, and ion selection (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Rosenbusch, M. Wada, S. Chen, A. Takamine, S. Iimura, D. Hou, W. Xian, S. Yan, P. Schury, Y. Hirayama, Y. Ito, H. Ishiyama, S. Kimura, J. Lee, J. Liu, S. Michimasa, H. Miyatake, J. Y. Moon, S. Nishimura, S. Naimi, T. Niwase, Y. X. Watanabe, P. Vi, H. Wollnik, J. M. Yap
  • 学会等名: The 19th International Conference on Electromagnetic Isotope Separators and Related Topics (EMIS 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the new helium gas catcher and nuclear mass measurements with the new MRTOF-MS system behind the ZeroDegree spectrometer at RIKEN BigRIPS (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Takamine, M. Rosenbusch, M. Wada, S. Iimura, D. Hou, W. Xian, S. Chen, J. M. Yap, H. Ishiyama, et al.
  • 学会等名: The 19th International Conference on Electromagnetic Isotope Separators and Related Topics (EMIS 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Toward mass measurement of neutron-rich nulei in the vicinity of N = 126 (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Ishiyama
  • 学会等名: Workshop for Uniqueness of the 208Pb beam at RIBF
  • 国際学会
• [学会発表] Present status of SLOWRI (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Ishiyama
  • 学会等名: SSRI-PNS cllaboration meeting 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The SLOWRI/MRTOF-MS project at BigRIPS/ZeroDegree (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Rosenbusch, S. Iimura, A. Takamine, Y. Tsunoda, M. Wada, S. Chen, D. S. Hou, W. Xian, H. Ishiyama, et al.
  • 学会等名: 日本物理学会2022年度春季年会
• [学会発表] BigRIPS SLOWRI における ZD-MRTOF 装置を用いた中性子過剰 Sc, Ti, V 核の系統的核構造研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 飯村俊, M. Rosenbusch , 高峰愛子 , 和田道治 , S. Chen, D. Hou, J. Liu, W. Xian, S. Yan, P. Schury, 木村創大, 庭瀬暁隆, 伊藤由太, 園田哲, 小島隆夫, 渡辺裕, 平山賀一, 宮武宇也, S. Naimi, 道正新一郎, 西村俊二 , 小田原厚子, 石山博恒, 角田佑介, 清水則孝, 大塚孝治
  • 学会等名: 日本物理学会2022年度秋季大会
• [備考] 仁科加速器科学研究センター 低速RIビーム生成装置開発チーム
  • URL: https://www.riken.jp/research/labs/rnc/nucl_struct/slowri/index.html