高偏極 RI ビームの生成と核・物質科学研究への応用

2021 年度 実績報告書

• 研究領域: 宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。
• 研究課題/領域番号: 18H05462
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 上野 秀樹 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 (50281118)
• 研究分担者: 高峰 愛子 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (10462699) ; 山崎 展樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (00271528) ; 山本 文子 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (50398898) ; 鄭 旭光 佐賀大学, 理工学部, 教授 (40236063) ; 吉見 彰洋 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (40333314) [辞退]
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• キーワード: その他の量子ビーム / 原子核（実験） / 量子ビーム測定手法 / 磁気共鳴 / 放射線 / 核スピン偏極

研究実績の概要

本研究ではRIを用いた新たな物質科学研究手法を開拓するとともに、宇宙観測用ガンマ線検出器と組み合わせた領域横断核物理研究への応用を目指している。研究は①RI核プローブ研究、②原子線発生系と③スピン選択磁石系の開発、④物質科学基礎研究、⑤領域横断研究を通じ、これらを連携させて進めている。

2021年度の実績は次の通りである。①では引き続き得られた成果の整理と論文執筆を行っている。②では、前年度構築したイオントラップ装置を高機能化し、Paulトラップとしてイオンの制御することができた。イオンの挙動に関する基礎データを取得し、トラップしたRbを最終的に原子線として射出するための印加電場とその制御シーケンスの最適化を図った。更にSrを媒介としたRbの共同冷却に向け、SrイオンをRbとは別の入力系から導入するイオントラップを行っている。レーザー冷却のためのECLDレーザーの準備もほぼ完了したが、当初計画より遅れが生じている。③ではRI原子線共鳴装置の後段に設置するスピン選択のための電磁石を導入し、必要となる３つの磁石が全て揃った。現在はキャビティの開発と、R&Dに向け低速中性原子を検出するための検出器開発を行っている。④ではCuOを用いたβ-NMR分光実験のための結晶の作製と評価を行った。特に、O-21 RIビームを用いたNMR分光実験に向け、CuOの酸素に対するスピン格子緩和時間を事前に測定するため、O-17の安定核酸素で同位体濃縮したCuO結晶の作製を行った。現在NMR測定が進められている。⑤ではCuOを用いたμSR実験とCd/Te検出器を用いた核物理実験の検討を進めた。前者に向けてサイズの揃ったナノ結晶の作製を行っており、後者では領域横断的実験課題を策定し、理研のペレトロン加速器を用いた予備実験の準備に着手した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

①では、得られた成果を論文にまとめる作業がやや遅れているものの、既に核電磁モーメント測定と核破砕反応を用いた核スピン整列RIビームをβ-NMR法に応用する核電磁モーメント測定の新手法開発に関する成果が得られている。また、関連技術を高度利用したRIBF施設での関連ビーム実験の実施に向けて順調に準備が進められている。②では前年度システム構築とRbイオンのトラップの確認まで達成したところであったが、当該年度はトラップしたイオンの前方射出を可能とするための電極の分割化とリニアポールトラップの導入、イオン制御・中性化効率の定量測定と評価、共同冷却の媒介となるSrイオン源の整備とイオントラッピング、Srイオンの冷却用レーザーの整備など、開発が大幅に進展した。遅れの生じていた③では、スピン選択磁石の設計・製作・導入を進め、これで必要となる磁石が揃い、生じていた遅れが短縮された。④では最終年度に予定されているCuOを用いたβ-NMR分光測定を実施するため、CuOの単結晶作製と評価を進めてきている。当該年度は、これらに加え、β-NMR分光測定に向けてCuOの基礎物性をあらかじめ測定するために、O-17同位体濃縮CuO単結晶の作製を行った。作製したCuOの単結晶性は確認でき、現在物性データの測定が進められている。このデータが得られればβ-NMR測定上の問題点を、結晶由来の部分とNMR技術の部分に切り分けて検討できるようになる。工程を短縮する成果ではないが、研究の質を向上させる成果である。⑤でも進展があり、C01班の先端検出器の技術をRIビームに応用する分野横断研究を具体的に策定した。その原理実証に向けたビーム実験も具体化させ、既に理研のペレトロン加速器を用いたビーム実験の準備に着手している。
以上、当初予定に比べ一部若干の遅れが生じているが、計画研究全体としてはおおむね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

2022年度は、プロジェクトの最終年度となる。RI原子線共鳴法の実現性に結びつく原理実証の成果、CuOのβ-NMR分光測定、新たな研究を拓く領域横断的研究の実施を目指す。
これに向けた各チームの2022年度の実施計画は次の通りである。①核プローブ研究チーム：これまでに実験で得られた核電磁モーメント測定、核スピン整列RIビームを用いたβ-NMR法の開発、RIプローブの結晶内の振る舞いに関する結果を論文にまとめる。②RIイオン冷却・中性化装置開発チーム：
Srを媒介とするRbの共同冷却と共に効率的な中性化を達成し、冷却中性原子の前方射出を実現する。本開発がRI原子線共鳴法の原理実証の最重要部分となる。③RI原子線共鳴装置本体部開発チーム：後回しとなっている超微細構造間遷移のためのRFキャビティの開発を行い、システムを完成させる。加えてビームを用いたR&Dに向け、中性原子を効率的に検知する検出器の開発を行う。④物質科学研究チーム：O-17同位体濃縮結晶CuOの物性測定を行い、これを基礎データとして理研RIBFのRIPS装置を用い、O-21核スピン偏極RIビームを用いたCuOのβ-NMR分光測定を実施する。並行し結晶合成法の開発と核プローブを用いた関連研究を推進する。⑤領域横断研究チーム：理研ペレトロン加速器を用いた核スピン整列核とC01班のコンプトンカメラを組み合わせた実験を実施し、スピン・パリティ、特にパリティを明確に決定する新たな核構造研究の手法開拓を行う。また、CuOを用いたμSR測定計画も進める。

研究成果

• [国際共同研究] The Australian National University(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: The Australian National University
• [国際共同研究] GSI(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: GSI
• [国際共同研究] Chinese Academy of Sciences/Jinan University/Lanzhou University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Chinese Academy of Sciences/Jinan University/Lanzhou University
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] IN2P3-CNRS/CEA/Universite Paris-Saclay(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: IN2P3-CNRS/CEA/Universite Paris-Saclay
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] Argonne National Laboratory/Iowa State University/Texas A&M University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Argonne National Laboratory/Iowa State University/Texas A&M University
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 5
• [雑誌論文] Formation of the metastable iron (III) germanate Fe2GeO5 through kinetic control of the oxidative reaction (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Kakimoto, Y. Ohki, S. Takada, Y. Haraguchi, A. Yamamoto, H. Aruga-Katori
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 51 ページ: 451～454
  • DOI: 10.1246/cl.220024
• [雑誌論文] High Precision Mass Measurements of Intermediate-mass Neutron-deficient Nuclei via MRTOF-MS (2021)
  • 著者名/発表者名: Kimura Sota et al.
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 25 ページ: 011005
  • DOI: 10.7566/JPSCP.35.011005
• [雑誌論文] First high-precision direct determination of the atomic mass of a superheavy nuclide (2021)
  • 著者名/発表者名: P. Schury, T. Niwase, M. Wada, P. Brionnet, S. Chen, T. Hashimoto, H. Haba, Y. Hirayama, D. S. Hou, S. Iimura, H. Ishiyama, S. Ishizawa, Y. Ito, D. Kaji, S. Kimura, H. Koura, J. J. Liu, H. Miyatake, J. -Y. Moon, K. Morimoto, K. Morita, D. Nagae, M. Rosenbusch, A. Takamine, Y. X. Watanabe, H. Wollnik, W. Xian, S. X. Yan
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 104 ページ: L021304
  • DOI: 10.1103/PhysRevC.104.L021304
• [雑誌論文] α-Decay-correlated mass measurement of 206,207g,mRa using an α-TOF detector equipped multireflection time-of-flight mass spectrograph system (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Niwase et al.
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 104 ページ: 054312
  • DOI: 10.1103/PhysRevC.104.044617
• [雑誌論文] Three-dimensional tracking multi-segmented proportional gas counter for β-decay spectroscopy of unstable nuclei (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Hirayama, P. Schury, M. Mukai, H. Choi, S. Imamura, X. Y. Watanabe, M. Wada, H. Watanabe, H. Miyatake
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 997 ページ: 165152～165152
  • DOI: 10.1016/j.nima.2021.165152
• [雑誌論文] β-γ spectroscopy of the 195Os nucleus (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Ahmed, Y. X. Watanabe, Y. Hirayama, M. Mukai, J. H. Park, P. Schury, Y. Kakiguchi, A. Ozawa, M. Oyaizu, M. Wada, H. Miyatake
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 103 ページ: 044617
  • DOI: 10.1103/PhysRevC.103.054312
• [雑誌論文] Ground-state properties of light 4n self-conjugate nuclei in ab initio no-core Monte Carlo shell model calculations with nonlocal NN interactions (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Abe, P. Maris, T. Otsuka, N. Shimizu, Y. Utsuno, J. P. Vary
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 104 ページ: 054315
  • DOI: 10.1103/PhysRevC.104.054315
• [学会発表] 原子ビーム共鳴法による高スピン偏極 RI ビーム生成装置の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 村慧, 高峰愛子, 郷慎太郎, 田島美典, A. Gladkov, 上野秀樹
  • 学会等名: 日本物理学会第 77 回年次大会
• [学会発表] スピン整列不安定原子核を用いたベータ核磁気共鳴法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西畑洸希, A. Gladkov, 上野秀樹, 市川雄一, 高峰愛子, 山崎展樹, 佐藤智哉, 田島美典, 今村彗, 川田敬太, 竹内由衣花, 螺良健一, 田中聡, 土居三瑠, 伊藤愛美, 秋元彩, 西村昌輝, 旭耕一郎, 三原基嗣, 足立智輝, 河本彩帆, 北川敦志, 佐藤眞二
  • 学会等名: 日本物理学会第 77 回年次大会
• [学会発表] 高偏極 RI 原子ビーム生成へ向けた低速 RI ビーム生成装置と中性化装置の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高峰愛子
  • 学会等名: 日本物理学会第 77 回年次大会 (共催シンポジウム)
  • 招待講演
• [学会発表] Ab initio description of nuclear structure in no-core Monte Carlo shell model (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Abe
  • 学会等名: XXXII IUPAP Conference on Computational Physics (CCP2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Isotope shift measurement of 182,184Hf and 185,187,188,190W (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Mukai
  • 学会等名: SSRI-PNS Collaboration Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] High-pressure synthesis of high-entropy chalcogenides (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Yamamoto
  • 学会等名: The 10th Asian Conference on High Pressure Research (ACHPR-10)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Synthesis and characterization of high-entropy disulfides (Fe, Co, Ni, Cu)S2 with pyrite type via high-pressure (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Z. Laila, A. Yamamoto, et al
  • 学会等名: The 10th Asian Conference on High Pressure Research (ACHPR-10)
  • 国際学会
• [学会発表] 核モーメント測定法開発のための 光学用クライオスタットにおける超流動ヘリウム中 Rb 原子の収量測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 螺良健太
  • 学会等名: 日本量子医科学会第 1 回学術大会
• [学会発表] 187Ta のベータ崩壊核分光 (2021)
  • 著者名/発表者名: 向井もも, 平山賀一, 渡辺裕, 渡邉寛, S. C. Jeong, 宮武宇也, M. Brunet, 石澤倫, F. G. Kondev, G. J. Lane, Yu. A. Litvinov, 庭瀬暁隆, Zs. Podolyak, M. Rosenbusch, P. Schury, 和田道治, P. M. Walker
  • 学会等名: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [学会発表] KISS での核分光: MRTOF-MS を用いた不安定核のレーザー共鳴イオン化核分光 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平山賀一, H. Choi, P. Schury, 渡辺裕, 向井もも, J. Y. Moon, T. Hashimoto, S. C. Jeong, M. Rosenbusch, 小柳津充広, 庭瀬暁隆, 谷口秋洋, 和田道治, 宮武宇也
  • 学会等名: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [学会発表] 酸素イオン伝導体 YSZ 中における短寿命核 19O のスピン格子緩和時間 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大谷優里花, 三原基嗣, 松多健策, 福田光順, 若林諒, 沖本直哉, 福留美樹, 木村容子, 高山元, 泉川卓司, 野口法秀, 生越瑞揮, 佐藤弥紗, 高津和哉, 大坪隆, 西村太樹, 髙橋弘幸, 菅原奏来, A. Gladkov, 石山博恒, 北川敦志, 佐藤眞二, 百田佐多生, 奥村寛之, 森口哲朗, 小沢顕, 冨田啓介, 矢野朝陽
  • 学会等名: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [学会発表] アルファ・ベータ・ガンマ線核分光測定から探る原子核構造研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 郷慎太郎
  • 学会等名: 理研新領域開拓課題「物質階層原理研究」&「ヘテロ界面研究」合同冬研究会
  • 招待講演
• [学会発表] モンテカルロ殻模型による第一原理計算の進展 (2021)
  • 著者名/発表者名: 阿部喬
  • 学会等名: 京大基研研究会「核力に基づいた原子核の構造と反応」
• [学会発表] 正方晶タングステンブロンズ型構造を有する (Rb,K,Li)-Nb-O 系の新規誘電体の探索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤健, MONOT-LAFFEZ, Isabelle, 杉山和正, 山本文子,
  • 学会等名: 第 62 回高圧討論会
• [学会発表] Rb-Nb-O 系強誘電体材料の合成と結晶構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤健, 山本文子 他
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第 37 回 関東支部研究発表会
• [学会発表] 水銀系ではなぜ高圧では 160 K まで上がるのか?常圧では可能か? (2021)
  • 著者名/発表者名: 山本文子
  • 学会等名: 令和 3 年度 低温工学超電導学会東北・北海道支部 第１回材料研究会 合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 不安定原子核の同位体シフト測定に向けた開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田島美典, 高峰愛子, 飯村秀紀
  • 学会等名: 第 17 回原子・分子・光科学（AMO）討論会
• [学会発表] 計画研究 B03 班 高偏極 RI ビームの生成と核・物質科学研究への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 上野秀樹
  • 学会等名: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新た応用の架け橋。」領域研究会 (第 3 回領域全体会議)
• [学会発表] RI 原子ビーム共鳴装置の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 今村慧
  • 学会等名: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新た応用の架け橋。」領域研究会 (第 3 回領域全体会議)
• [備考] 新学術領域研究 宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。
  • URL: https://member.ipmu.jp/SpaceTech_to_QuantumBeam/index.html
• [備考] 計画研究B03班 高偏極RIビームの生成と核・物質科学研究への応用
  • URL: https://member.ipmu.jp/SpaceTech_to_QuantumBeam/planned-research/b03/index.html
• [備考] 理研開拓研究本部 上野核分光研究室
  • URL: https://www.riken.jp/research/labs/chief/nucl_spectro/
• [備考] 理研仁科加速器科学研究センター 核構造研究部
  • URL: https://www.riken.jp/research/labs/rnc/nucl_struct/index.html