多価イオンエキゾチック核の寿命の精密測定と宇宙核物理学

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 23KK0055
• 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: 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) ; 小沢 顕 筑波大学, 数理物質系, 教授 (80260214)
• 研究期間 (年度): 2023-09-08 – 2027-03-31
• キーワード: 蓄積リング / 多価イオン / ガンマ崩壊

研究実績の概要

本研究の目的は、核反応で生成される多価イオン状態の不安定核ビームを重イオン蓄積リングに貯蔵し、飛行中の崩壊を観測することにより、中性状態からの寿命変化を観測する。特に、基底状態と励起状態のスピンパリティが共に0+準位のガンマ崩壊に着目する。この遷移は選択則により1光子の崩壊（通常のガンマ崩壊）が起こらないため、内部転換電子放出による崩壊となる。しかし、高エネルギー核反応で生成された不安定核ビームは軌道電子を纏わないため、崩壊することができず、量子力学の2次効果による2光子崩壊のみが起こる。この稀現象の観測は量子論の精密検証のみならず、励起状態の寿命変化という宇宙の極限下で起きている核反応連鎖による元素合成の理解に本質的に重要である。
実験はドイツGSI/FAIR研究所で行う。GSI研究所の蓄積リングESRに78Krから生成した72Geビームを貯蔵した。72Geは基底状態のスピンパリティが0+で、励起エネルギー~700keVに0+準位（アイソマー）を持つ。核反応で生成された72Geには約5%の割合でアイソマーが含まれる。ESRに入射された粒子はショットキー検出器によってその周回周波数を非破壊的に観測することができる。蓄積リングを等時性条件にしておくことで周回周波数は粒子の質量電荷比に比例する。飛行中に2光子崩壊すると質量が減り周回周波数が変化するため、バックグラウンドなしに直接崩壊を観測することができる。72Geに明瞭に2光子崩壊の証拠を得ることに成功した。
2023年度は2021年度に行ったビーム実験の解析を完了し、実験室系で半減期~24msを得た。そして投稿論文を完成させた。2024年度にあらたな実験を予定しており目下準備中である。

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

2021年に行った実験データの解析を終了し、投稿論文を完成させた。2024年に予定している実験の準備を進めている。

今後の研究の推進方策

2024年度前半にGSI/FAIRにてビーム実験が予定されている。シンクロトロンによって100Moの1次ビームをエネルギー核子当たり約450MeVまで加速する。Be生成標的に照射し入射核破砕反応によって98Moもしくは98Zrを生成する。これらの核種はいずれも基底状態のスピンパリティが0+で、第1励起状態も0+のアイソマー準位を持つ。GSIの蓄積リングESRを等時性に調整し、98Mo/98Zrを入射、ショットキー検出器によって周回周波数の変化を非破壊観測する。蓄積リング中を周回中に2光子崩壊すれば周波数変化から明瞭に観測することができる。実験には山口が取りまとめ役となり若手研究者を引き連れて渡航する。実験後、データを持ち帰りGSI研究者と独立に解析を進める。解析結果は1年を目処にまとめる予定である。
また、GSI/FAIR研究所との共同研究により、革新的な位置感度型ショットキー検出器を開発している。本研究テーマには使用しないが、2024年秋に日本に輸送しビーム試験を予定している。これによって、蓄積リングを周回する粒子の軌道を測定することができるため、蓄積リングのビーム診断系として利用できるだけにとどまらず、周回粒子の運動量を正確に測定することができるようになる。成功すれば同種の検出器をGSI/FAIRにも導入予定である。この開発は国際共同研究として日本側はデータ収集系の準備を行う。

次年度使用額が生じた理由

2023年度に加速器実験がアサインされず2024年度になったこと。及び2023年度の渡航を取りやめオンラインミーティングに変更し、2024年度の加速器実験により多くの若手研究者を渡航できるよう調整したことによる。

研究成果

• [国際共同研究] GSI/Max-Planck Institut(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: GSI/Max-Planck Institut
• [国際共同研究] IMP(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: IMP
• [国際共同研究] CEA(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CEA
• [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 ページ: 034002/1-7
  • DOI: 10.1088/1674-1137/ad1a0a
  • 査読あり / 国際共著
• [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: 11018/1-5
  • 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 ページ: 4-A25
  • 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 ページ: 90/1-11
  • 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 ページ: 83/1-7
  • 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 ページ: 27/1-16
  • DOI: 10.1140/epja/s10050-023-00928-6
  • 査読あり / 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 ページ: 014304/1-14
  • DOI: 10.1103/PhysRevC.107.014304
  • 査読あり / 国際共著
• [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
  • 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