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

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04461
• 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, 准教授 (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
• キーワード: 蓄積リング / 多価イオン / 半径 / 寿命

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。我々はRIビーム破砕片分離装置を用いた断面積の精密測定によって、系統的な核半径研究を行なってきた。また、理化学研究所に目的核のみ選択して貯蔵できる不安定核専用の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。
2021年度はコロナ禍にも関わらず、理研RIBFにて質量測定のビームタイムを2回、QST-HIMACにて断面積測定のビームタイムを2回消化することができた。
理研の質量測定については精度が目標値に達していないものの原理検証に成功した。質量精度として10の-6乗台の結果が得られている。寿命の測定スキームは質量測定と同じであるため、原理的には測定の準備は出来ていると言える。崩壊後の娘核を測定するため、蓄積リングに設置する~2m長のファイバーシンチレーション位置検出器を開発し、位置分解能~5mm、時間分解能~80psを得ている。
一方、HIMACを用いて断面積測定のPilot実験を進めた。Krビームの荷電変化断面積のエネルギー依存性を500MeV/uまで測定した。イオンチェンバーによるビーム電荷の精密測定によって、これまでにない相対精度10の-3乗で断面積を決定することに成功した。荷電変化断面積の理論的な考察も進んでいる。

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

コロナ禍であったが加速器ビームタイムを4回こなし、一定の成果を得た。検出器開発は順調に進んでいる。特に、理研RIBFでの実験を想定して、荷電変化断面積のエネルギー依存性を測定して精密な結果を得たのは重要である。

今後の研究の推進方策

2021年度は理研RIBFにて2回、QST-HIMACにて2回のビームタイムを消化した。理研の実験では質量測定の原理検証に成功した。寿命測定も同様のスキームで行う事が出来る。しかし実験の結果、蓄積リングを周回する粒子の軌道を正確に測定する必要が出てきた。寿命測定のために開発を続けてきたショットキー検出器は、周回粒子の周期を測定するものであるため、原理的に軌道の変化にも感度がある。昨年度はビームタイムが多かったためショットキー検出器の開発が疎かになった。本年度はショットキー検出器のデータ収集系の整備を中心に行う。複数のショットキー検出器から同時にデータを取得し広帯域で高速な測定系を目指す。このショットキー検出器が完成すれば高効率で寿命測定が可能になる。また、ファイバーシンチレータによる位置検出器を開発し、蓄積リング入射時の軌道を正確に測定する。入射ラインのビームエミッタンスと蓄積リングキッカー電磁石位置でのエミッタンスマッチングを精密に行うことで測定効率向上を目指す。さらに、GSI研究所と協力して新型ショットキー検出器の開発に着手した。本年度は基本設計とシミュレーションを中心に行い、来年度以降出来るだけ早い製作、試験および設置を目指す。
一方、HIMACを用いた断面積測定は順調であった。Krビームの荷電変化断面積のエネルギー依存性の精密測定に成功した。HIMACではビームの電荷測定にイオンチェンバーを用いたが、蓄積リングで断面積測定する場合はイオンチェンバーが使えないため、GAGGなどの無機結晶シンチレータを開発している。すでにエネルギー分解能1%という良好な結果を達成しているが、実機に向けて本年度も継続して開発を進める。また合わせて、入射トリガー用のデルタ線検出器、入射ビームライン位置検出器の実機ビーム試験を行い、開発を完了させる予定である。

研究成果

• [国際共同研究] GSI(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: GSI
• [雑誌論文] Masses of exotic nuclei (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi, H. Koura, Yu.A. Litvinov, M. Wang
  • 雑誌名: Prog. Part. Nucl. Phys. 巻: 120 ページ: 103882/1-98
  • 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: 011006/1-8
  • 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 ページ: 011014/1-8
  • 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 ページ: 011017/1-6
  • 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 ページ: 011020/1-4
  • 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 ページ: 011021/1-5
  • 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 ページ: 011022/1-5
  • 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 ページ: 011023/1-4
  • 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 ページ: 011024/1-5
  • 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 ページ: 011025/1-4
  • 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 ページ: 011026/1-5
  • 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 ページ: 042802/1-11
  • 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] 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