多価イオンビームによる2光子稀崩壊の観測

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: 21H00161
• 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)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 多価イオン / 蓄積リング / ガンマ崩壊

研究実績の概要

原子核の励起状態は、基底状態、励起状態ともにスピンが0+の場合、角運動量保存のためガンマ線を放出できず、内部転換電子崩壊によって脱励起する。しかし完全イオン化して軌道電子がない場合、かつ励起エネルギーが電子陽電子対生成を起こす閾値より低い場合は、電子放出も起きないため一見すると崩壊できない特異な状態になる。このとき量子力学の2次効果として、2光子同時放出現象が起こる。イオンビームを蓄積リングに貯蔵する実験環境では、競合する過程がなく明確にこの稀現象を観測できる。
本年度は2回のビームタイムを消化した。実験はドイツGSI研究所の加速器施設で行なった。コロナ禍のため渡航できずリモートで参加した。シンクロトロンで加速した78KrビームをBe標的に照射し、核反応で72Ge(基底状態スピン0+)の2次ビームを生成した。ビームエネルギーが核子あたり400MeVなので、72Geは完全イオン化している。また、72Geビームには寿命の長い励起状態(アイソマー：スピン0+)が含まれている。このビームを蓄積リングESRに入射し、貯蔵した。ESRのビーム光学条件は等時性、すなわち周回周期が粒子の質量電荷比に比例する条件に調整した。そのため、周回周期の非破壊観測によって飛行中のガンマ崩壊（質量変化）を検出することができる。観測にはショットキー検出器を用いた。その仕組みは次の通りである。蓄積リングに貯蔵された72Geは共鳴空洞を周期的に通過するたびに電磁場エネルギーを貯める。それをピックアップコイルで検出し、高速フーリエ変換することで粒子固有の周波数スペクトル（ショットキースペクトル）を得る。これを用いて周回周期（＝周波数）がガンマ崩壊によって変化する事象を探索した。その結果、72Geアイソマーからの2光子崩壊を明確に観測することに成功した。

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

コロナ禍であったが予定通り加速器ビームタイムをこなし、2光子稀崩壊の飛行中観測に成功した。世界初観測である。ちなみに国際コラボレーションの中でいち早く事象を発見したのは日本チームであった。また、特筆すべきこととして、蓄積リングの等時性条件の精密化を達成し、72Brの第1励起状態101keVの分離にも成功した。このことは短寿命核の質量寿命測定をより高精度、より高効率でできることを意味し、今後の測定可能性を拡げる。

今後の研究の推進方策

2021年度はコロナ禍にも関わらず幸いにも2度のビームタイムを消化することができ、当初の目標である72Geの2光子稀崩壊の観測に成功した。オンラインで現象の観測は確実であったが、精密な寿命決定には至っていない。よって、2022年度はデータ解析を詳細に行い、フルストリップ状態の72Geアイソマーの寿命を決定する。また、同時に測定した他核種には2光子稀崩壊がオンラインで確認できなかったものがある。それらに対しても再度データ解析を行い、結論を得たい。2022年度は渡航して解析結果の検討会を開く予定である。
また並行して、この種の実験を理化学研究所で我々が開発、建設した蓄積リングでも行えるよう装置開発を進めたい。理研では大強度ビームから極めて不安定な原子核を生成することができる。我々は飛行中に粒子を選別して、目的の原子核だけを蓄積リングに入射する新しい仕組み、個別入射法を完成させた。これを利用すれば、エキゾチックな原子核の2光子崩壊を観測し、従来の方法では測定できない励起状態の構造を解明することができる。具体的には、周回粒子の非破壊検出器であるショットキー検出器を整備する。すでにGSI研究所と共同研究を進めており、新型ショットキー検出器の設計に着手している。出来るだけ早く理研の蓄積リングに設置する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] CEA Paris-Saclay(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CEA Paris-Saclay
• [国際共同研究] GSI/Goethe Universitat(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: GSI/Goethe Universitat
• [国際共同研究] University of Surrey/Univ. of Edinburgh(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Surrey/Univ. of Edinburgh
• [国際共同研究] TRIUMF(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: TRIUMF
• [国際共同研究] Argonne National Laboratory(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Argonne National Laboratory
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 2
• [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
• [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] 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