Study of the origin of heavy elements using an innovative mass spectrograph

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H06090
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 和田 道治 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (50240560)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森本 幸司 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, チームリーダー (00332247) ; 加治 大哉 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 (00391912) ; 宮武 宇也 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (50190799) ; 石山 博恒 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, チームリーダー (50321534) ; 小浦 寛之 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 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (50391264) ; 羽場 宏光 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, 室長 (60360624) ; 岸本 忠史 大阪大学, 核物理研究センター, 特任教授 (90134808) ; 西村 俊二 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, 先任研究員 (90272137)
• Project Period (FY): 2017-04-25 – 2022-03-31
• Keywords: 重元素の起源 / 質量測定 / 超重元素 / 速い中性子捕獲過程 / イオントラップ / MRTOF

Outline of Annual Research Achievements

2020年度は、網羅的質量測定を行う３箇所の施設の中でも最も広範囲の測定を行うことができる、理研RIBFの入射核破砕片分離器（BigRIPS）におけるMRTOF質量分光器を無事にオンライン稼働することに成功した。2020年11月から12月にかけて行われたオンライン試験は、上流のインビームガンマ線分光実験からビームダンプに導かれるビームを利用したパラサイト実験として実施した。これにより、BigRIPSの高速RIビームを高効率で減速冷却して質量測定できることを示し、既に７０核種について質量測定にも成功した。この内、3核種は初の質量測定であり、他の10数核種については質量精度を一桁以上向上させることができた。この成功を受けて、重元素の起源研究に重要な２つの領域（Ni78近傍、中性子数126核近傍）の質量測定実験計画が課題採択委員会にAグレードで受理された。
元素選択型同位体分離機（KISS）におけるMRTOF装置は、βγ分光において、質量による核異性体準位を同定することに成功しており187Ta，192Reの核異性体の分光実験を実行した。
気体充填型反跳核分離器(GARIS-2)のMRTOFは、ニホニウムの質量測定に向けて準備が整っているが、生成に必要なCa48ビーム源が入手困難なため棚上げ状態である。一方この装置を使ってCf252線源を用いた核分裂片の質量測定を随時実施しており、重元素の研究に重要な原子核を50種以上測定し、３個のCe同位体の初の質量測定に成功している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

旗艦実験のひとつであるニホニウムの直接質量測定はビーム源であるCa48が入手できないので実施できていないが、αToF検出器の発明によって超高感度で超重元素を同定できるようになり、その結果、初の超重元素の直接質量測定(257Db)できたことは、相当な成果である。今後さらにいくつかのDb同位体とSg同位体の測定が2021年秋に予定されている。これらの測定は、超重元素領域の質量公式の確度とそれによる元素合成の終端の研究に寄与する。
中性子過剰短寿命核の質量測定は、主たる重元素合成過程である速い中性子捕獲過程に直接関与するものであり、中性子過剰核を大量に生成できる入射核破砕片分離器BigRIPSにおいてMRTOFを用いた質量測定が開始できたことは大きな進展である。また、技術的には、αToF検出器を改良したβToF検出器とMRTOF内でのマスフィルター機構の発明が、質量測定の確度と半減期測定をも可能にする重要な効果をもたらした。2021年秋には、重元素合成過程に最も寄与する領域の質量測定が予定されている。
元素選択型同位体分離器(KISS)においては、元素合成過程に寄与する核異性体を質量測定によって同定できたことは大きな進展である。現在、同定ばかりでなく、質量の標識付をしたγ線分光ができるように分光装置の改造とγToF検出器の開発を進めている。

Strategy for Future Research Activity

ニホニウムの質量測定については単にCa48の入手問題に依存しており、現在まで目処がたっていない。独自のCa48生成法の開発も進めているが、実用化までは地道な開発が必要である。本研究期間後も継続して実験機会を待ちたい。一方、Ca48を使わずに熱い融合反応によって生成された超重元素の既知の原子核へのアンカーとなる原子核の生成法も検討しており、中性子過剰な超重元素の系統的研究を達成するべく進めてゆく。
入射核破砕片分離器BigRIPSにおけるMRTOFを用いた質量測定は、パラサイトビームも用いてできる限り広げてゆく。特に重要なNi78領域と中性子数126領域の質量および半減期の測定は、βTof検出器、MRTOF内マスフィルターを駆使して2021年秋に実行する予定である。希土類元素の中性子過剰核については、Cf線源を用いたオフライン測定でできるだけ広範囲を網羅する予定である。
元素選択型同位体分離器(KISS)においては、γToF検出器を完成させ、同重体、核異性体を同時に質量で標識づけしたβγ分光を推進する。
これらの測定結果を生かした元素合成過程のネットワーク計算も推進する。

Research Products

• [Journal Article] Reduction of contaminants originating from primary beam by improving the beam stoppers in GARIS-II (2021)
  • Author(s): Kimura S.、Kaji D.、Ito Y.、Miyatake H.、Morimoto K.、Schury P.、Wada M.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 992 Pages: 164996～164996
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164996
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Three-dimensional tracking multi-segmented proportional gas counter for β-decay spectroscopy of unstable nuclei (2021)
  • Author(s): Hirayama Y.、Schury P.、Mukai M.、Choi H.、Iimura S.、Watanabe Y.X.、Wada M.、Watanabe H.、Miyatake H.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 997 Pages: 165152～165152
  • DOI: 10.1016/j.nima.2021.165152
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Offline ion source for laser spectroscopy of RI at the SLOWRI (2021)
  • Author(s): Tajima M.、Takamine A.、Wada M.、Ueno H.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms Volume: 486 Pages: 48～54
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2020.10.013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Beta decay of the axially asymmetric ground state of 192Re (2021)
  • Author(s): Watanabe H.、Watanabe Y.X.、Hirayama Y.、Andreyev A.N.、Hashimoto T.、Kondev F.G.、Lane G.J.、Litvinov Yu.A.、Liu J.J.、Miyatake H.、Moon J.Y.、Morales A.I.、Mukai M.、Nishimura S.、Niwase T.、Rosenbusch M.、Schury P.、Shi Y.、Wada M.、Walker P.M.
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 814 Pages: 136088～136088
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136088
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nuclear spectroscopy of r-process nuclei using KEK Isotope Separation System (2020)
  • Author(s): Hirayama Y.、Watanabe Y.X.、Mukai M.、Ahmed M.、Ishiyama H.、Jeong S.C.、Kakiguchi Y.、Kimura S.、Moon J.Y.、Oyaizu M.、Park J.H.、Schury P.、Wada M.、Miyatake H.
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1643 Pages: 012138～012138
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1643/1/012138
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Properties of Ta187 Revealed through Isomeric Decay (2020)
  • Author(s): Walker P.M.、Hirayama Y.、Lane G.J.、Watanabe H.、Dracoulis G.D.、Ahmed M.、Brunet M.、Hashimoto T.、Ishizawa S.、Kondev F.G.、Litvinov Yu.A.、Miyatake H.、Moon J.Y.、Mukai M.、Niwase T.、Park J.H.、Podolyk Zs.、Rosenbusch M.、Schury P.、Wada M.、Watanabe X.Y.、Liang W.Y.、Xu F.R.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 125 Pages: 192505~192505
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.192505
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Accurately accounting for effects on times-of-flight caused by finite field-transition times during the ejection of ions from a storage trap: A study for single-reference TOF and MRTOF mass spectrometry (2020)
  • Author(s): Rosenbusch M.、Schury P.、Wada M.、Iimura S.、Ito Y.、Wollnik H.
  • Journal Title: International Journal of Mass Spectrometry Volume: 456 Pages: 116346～116346
  • DOI: 10.1016/j.ijms.2020.116346
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In-gas-cell laser resonance ionization spectroscopy of Ir196,197,198 (2020)
  • Author(s): Mukai M.、Hirayama Y.、Watanabe Y. X.、Schiffmann S.、Ekman J.、Godefroid M.、Schury P.、Kakiguchi Y.、Oyaizu M.、Wada M.、Jeong S. C.、Moon J. Y.、Park J. H.、Ishiyama H.、Kimura S.、Ueno H.、Ahmed M.、Ozawa A.、Watanabe H.、Kanaya S.、Miyatake H.
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 102 Pages: 054307~054307
  • DOI: 10.1103/PhysRevC.102.054307
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In-gas-cell laser ionization spectroscopy of Os194,196 isotopes by using a multireflection time-of-flight mass spectrograph (2020)
  • Author(s): Choi H.、Hirayama Y.、Choi S.、Hashimoto T.、Jeong S. C.、Miyatake H.、Moon J. Y.、Mukai M.、Niwase T.、Oyaizu M.、Rosenbusch M.、Schury P.、Taniguchi A.、Watanabe Y. X.、Wada M.
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 102 Pages: 034309~034309
  • DOI: 10.1103/PhysRevC.102.034309
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Model independent peak fitting and uncertainty assignment for high-precision time-of-flight mass spectrometry (2020)
  • Author(s): Chudinov Aleksey Vladimirovich、Rosenbusch Marco、Kozlovskiy Vyacheslav Ivanovich、Raznikov Valeriy Vladislavovich、Schury Peter、Wada Michiharu、Wollnik Hermann
  • Journal Title: The Analyst Volume: 145 Pages: 3401～3406
  • DOI: 10.1039/D0AN00325E
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deexcitation γ-ray transitions from the long-lived Iπ=13/2+ metastable state in Os195 (2020)
  • Author(s): Watanabe Y. X.、Ahmed M.、Hirayama Y.、Mukai M.、Park J. H.、Schury P.、Kakiguchi Y.、Kimura S.、Ozawa A.、Oyaizu M.、Wada M.、Miyatake H.
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 101 Pages: 041305~041305
  • DOI: 10.1103/PhysRevC.101.041305
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of an “α-TOF” detector for correlated measurement of atomic masses and decay properties (2020)
  • Author(s): Niwase T.、Wada M.、Schury P.、Haba H.、Ishizawa S.、Ito Y.、Kaji D.、Kimura S.、Miyatake H.、Morimoto K.、Morita K.、Rosenbusch M.、Wollnik H.、Shanley T.、Benari Y.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 953 Pages: 163198～163198
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.163198
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nuclear spectroscopy of r-process nuclei using KEK Isotope Separation System (2020)
  • Author(s): Hirayama Y.、Watanabe Y.X.、Mukai M.、Schury P.、Ahmed M.、Ishiyama H.、Jeong S.C.、Kakiguchi Y.、Kimura S.、Moon J.Y.、Oyaizu M.、Park J.H.、Wada M.、Miyatake H.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms Volume: 463 Pages: 425～430
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2019.04.035
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A new multi-reflection time-of-flight mass spectrograph for the SLOWRI facility (2020)
  • Author(s): Rosenbusch M.、Wada M.、Schury P.、Ito Y.、Ishiyama H.、Ishizawa S.、Hirayama Y.、Kimura S.、Kojima T.M.、Miyatake H.、Moon J.Y.、Niwase T.、Sonoda T.、Takamine A.、Watanabe Y.X.、Wollnik H.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms Volume: 463 Pages: 184～188
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2019.05.058
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-stability, high-voltage power supplies for use with multi-reflection time-of-flight mass spectrographs (2020)
  • Author(s): Schury P.、Wada M.、Wollnik H.、Moon J.-Y.、Hashimoto T.、Rosenbusch M.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 91 Pages: 014702～014702
  • DOI: 10.1063/1.5104292
  • Peer Reviewed
• [Presentation] MRTOF development & Status @ RIBF (2020)
  • Author(s): M. Wada
  • Organizer: NUSTAR Annual Meeting
  • Invited
• [Presentation] 原子質量・なぜ？いかにして測るか？ (2020)
  • Author(s): 和田道治
  • Organizer: 日本物理学会
  • Invited
• [Remarks] KEK和光原子核科学センター
  • URL: https://research.kek.jp/group/wnsc/
• [Remarks] 中性子過剰タンタル核異性体で探る原子核形状の多様性原子核構造の研究から重元素合成の起源天体解明に迫る
  • URL: https://www.kek.jp/ja/press/ipns_pr20201111-2/
• [Remarks] 2021年3月の活動報告 : 短寿命核グループ
  • URL: https://www2.kek.jp/ipns/ja/report/2021/03-2/