2016 Fiscal Year Annual Research Report
Primordial lithium 7 problem studied by using stopped unstable nucleus target
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16H03980
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
民井 淳 大阪大学, 核物理研究センター, 准教授 (20302804)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
牧井 宏之 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 先端基礎研究センター, 研究職 (20425573)
山口 英斉 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 講師 (30376529)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | リチウム7問題 / ビッグバン元素合成 / 不安定核停止標的 / (d,p)反応 / インプラント / 共鳴反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年宇宙誕生時の元素合成過程を精細に計算できる様になったが、リチウム7の合成量のみ宇宙観測と合わないことが大きな問題となっている。このリチウム7問題の解決の鍵となるベリリウム7と重陽子の共鳴反応を、従来にない高精度にて測定することを目的とする。元素合成過程において重要な低エネルギー領域での実験を可能とするため、不安定核であるベリリム7を生成して金標的に埋め込み、重陽子との反応を測定する標的として用いる計画である。
東京大学原子核化学研究センターにおいてベリリム7原子核の生成・埋め込みを行う初期開発実験を行った。リチウム7ビームと水素ガス標的により毎秒2×10^8個のベリリウム7の生成に成功した。CRIB装置により分離後のベリリウム7を再収束し、直径2mmのコリメータを通した後、金標的に埋め込んだ。埋め込み後のベリリウム7の量を、自然崩壊によって生じる477 keVのガンマ線をLaBr3検出器によって計数することで測定し、1.3×10^11個の埋め込みに成功したことを確認した。初の埋め込みテストに成功したことは画期的な成果である。ベリリウム7埋め込み密度をさらに向上していくことが次のステップとなる。
製作した標的を日本原子力研究開発機構の東海タンデム加速器施設に移送し、重陽子ビームを照射するテストを行った。真空散乱槽を製作し、放出陽子の検出にはシリコン検出器を用いた。この試験において解決すべき課題がいくつか明らかになった。真空槽の素材に由来する到達真空度の問題、重陽子ビームにより標的内で発生する熱の伝送方法に関する問題、重陽子ビーム密度向上の必要性、標的や検出器を設置する作業性の改善などである。ベリリウム7と重陽子との散乱検出にはまだ至っていない。これらの課題を解決し、初の埋め込み標的による原子核散乱測定の成功とその測定精度向上が今後の目標となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ベリリウム7原子核を埋め込むための標的システムを新たに設計し、製作を行った。約100μmの精度での標的の入れ替え、コリメータの変更、標的中でのビーム量の読み出しが可能である。標的システムを東京大学原子科学研究センターに輸送し、ベリリム7を生成して標的中に埋め込む初期開発実験を行った。実験に向けて、ビーム形状を診断するためのシリコン検出器を購入した。また、埋め込まれたベリリウム7から発生するガンマ線を、LaBr3検出器により観測するシステムを構築した。その結果、金箔標的の直径2mmの領域に、1.3×10^11個のベリリウム7核を埋め込み、それを確認することに成功した。
ベリリウム7標的と重陽子との散乱を測定するための真空散乱槽を設計・製作した。ベリリウム7埋め込に用いる標的システムをそのまま設置して標的として使用することができる。また、放出される陽子を検出するシリコン検出器、標的の温度測定システム、散乱データを取得する回路を構築した。
ベリリウム7を埋め込んだ標的と散乱真空槽、計測システム等を輸送し、日本原子力研究開発機構の東海タンデム加速器において4 MeVの重陽子を照射する開発実験を行った。本実験ではシステムテストが主目的であった。実験の結果、ビーム強度と密度が初期の想定よりも小さいこと、真空槽の材質の問題により到達真空度が低いこと、標的内でビームに発生する熱の伝達方法に問題があること、検出器の設置方法とその操作性に問題があることなどの課題が明らかになった。現在真空散乱槽の再設計、シリコン検出器の更新、データ収集回路の購入と構築など測定システムの向上を進めている。
これらの実験において、実験メンバーの出張・滞在のために旅費を使用した。また、研究状況について国際会議で発表するとともに、世界の有識者との議論、装置に関する情報の取得、研究展開に関する議論を目的とした海外出張を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度の開発によって、ベリリウム7の埋め込みと埋め込み量の確認に成功したこと、および重陽子散乱を測定するシステムの課題を確認することができたことは大きな成果である。最終目的とする埋め込みベリリウム7標的と重陽子の散乱測定に向けて、システムの向上を図る。
まず、ベリリウム7の埋め込み量をさらに増やすための開発実験を行う。これには、ベリリウム7の発生量を常時モニターするシステムの開発と、埋め込み位置へのビームの位置調整と収束の最適化、またそれらの条件を安定して達成する技術が必要である。この目的のため、平成29年度前半に東京大学原子核科学研究センターのCRIB装置の開発を目的としたビームタイムを実施する。開発ビームタイムの申請は既に採択されており、実験に向けての準備作業を進めている。
日本原子力研究開発機構東海タンデム加速器を用いた重陽子散乱の性能向上を図るため、真空装置の再設計と、検出器の選定・購入、データ収集システムの構築を進めている。ベリリウム7埋め込み標的を使用する前に、再度重陽子散乱測定手法の確認を目指した開発ビームタイムを実施する予定である。リチウム7を標的として用い、陽子ビームを照射することで標的中にベリリウム7を擬似的に発生し、重陽子との散乱を検出するシステム開発を行う。平成29年度後半の早い時期での実施を検討している。
これらの開発の実施後、CRIB装置にてベリリウム7を埋め込みタンデム加速器によって重陽子散乱を測定する最初の本実験を平成29年度末に実施する方針で調整を進めている。初の重陽子散乱を検出したのち、徐々にビームエネルギーを下げて宇宙初期の反応に適したエネルギーでの測定を行う。データ取得後、解析作業を直ちに進める。
これらの実験実施のため実験メンバーの旅費を使用する。また、国際会議に参加し、実験状況の宣伝と今後の研究展開、論文作成に向けた議論を行う。
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