2023 Fiscal Year Annual Research Report
R-process termination region: Pioneering research of unknown trans-uranium isotopes
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22H00136
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
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, 研究員 (50190799)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平山 賀一 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, 准教授 (30391733)
渡邉 裕 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 (50353363)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | r-過程終焉部の核物理実験 / ウラン・超ウラン領域の質量測定 / 放射性同位体の超微細構造測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度にウラン(U)と白金(Pt)による多核子移行反応実験を遂行。多重反射型飛行時間測定式質量分光器(MRTOF-MS)によって未知同位元素241Uの同定に成功するとともに、多核子移行反応の有効性を示すことができた。また高性能なレーザー装置を導入することによって、老朽化の激しいレーザーシステムの高度化を行なった。2023年度は、(1)上記レーザーシステムによる詳細なレーザー分光実験の推進、(2)KISS装置の効率化を図るために大型のアルゴンガスセルとヘリウムガスセルの開発、(3)MRTOF-MSによる質量測定とKISS分光ステーションでの崩壊分光の同時測定を可能とするγ-TOF検出器開発を重点的に行なった。
(1)では新レーザーシステムによって、185, 187, 191, 192Reのレーザー核分光に成功。核反応生成量の少ない中性子過剰な重元素同位体の分光研究が可能となった。これはN=126近傍あるいはr-過程終端領域での核構造変化を捉える上で、重要な手段があたえられたことを意味しており、2024年度も引き続きr-過程終焉部に至る未知短寿命原子核の系統的核分光実験推進の目処がたった。
(2)ではヘリウムガスセルの原型モデルで当初の目標通りの性能が得られ、従来よりも一桁以上高い高強度一次ビームによる実験が展望できるようになった。他方、高強度一次ビームの条件でも効率よく中性原子を引き出すための大型アルゴンガスセルの開発試験では、ガスセル引き出し後のレーザーによるイオン化効率が極めて低い結果となった。今後の原因究明が待たれる。
(3)では、イオン光学シミュレータによる設計の最適化を行い、試作機を使ったKISSからのイオンビームによる性能試験を始めるところまで進展した。研究途中で専門に開発を行なっていたPDが他機関へ就職移動したため、開発の速度を落とさざるをなくなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
多核子移行反応によって、r-過程終焉部の中性子過剰なウラン・超ウラン同位体を生成し測定できることを、最初の実験において示すことができた。当初の狙い通り、KISS焦点面に高分解能質量測定器MRTOF-MSを組み込むことで、高いS/N比で未知同位体を検出すると同時に質量の測定が可能となった。レーザーシステムを一新することで、強度の高いレーザーの安定な運転環境が実現し、希少生成率の未知短寿命原子核に対するレーザー核分光実施の目処がたった。ここまでは、当初の研究計画通りの進展だと言える。
MRTOF-MSをイオン計測のプローブとすることで、放射線検出では測定の難しい長寿命RIの超微細構造測定が可能となったが、これは当初意識されていな かった測定手法上の特徴であり、MRTOF-MSが持つ、高いS/N比を持つ原子核の同定能力によるものであり、超微細構造測定の対象範囲の拡大に大きく貢献できた。
他方、終焉部の未知原子核の生成に欠かせない大型ガスセルの開発研究では、ヘリウムガスセルは目論見通りの進展を見せているが、アルゴンガスセルの開発は困難に遭遇しており、打開策を見出せるか否かにかかっている。またKISSの測定ステーションにおける、γ-TOF装置の開発・設置は、マンパワー不足により遅れた。研究環境としてウラン標的の使用は許可が得られており、ガスセルと検出器の整備が喫緊の課題となっている。
以上の状況から、当初の目標に掲げていた、キュリウム標的に対するウランビーム照射による終焉部未知核の生成・引き出しまでは実験可能な状況になったが、検出器系の開発が遅れているため、今後の計画期間中に終焉領域の多くの未知原子核にアプローチすることはスケジュール的に難しい。しかしウラン標的＋ウランビームによる終焉部の開拓研究に先鞭をつけることは目指すことができそうである。
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| Strategy for Future Research Activity |
装置の開発という観点からは、所定の性能を示せたヘリウムガスセルの実機を製作して、いち早く本実験を開始することが重要である。これによって、白金やウラン標的にウランビームを照射し、多核子移行反応で得られた未知中性子過剰核の精密質量測定及び、既存の崩壊分光検出器による系統的な核構造研究が始められる。
他方で懸案のγ-TOF検出器の製作を進めて、MRTOF-MSと崩壊分光の同時測定システムを構築し、実験の効率化を目指す。γ-TOF検出器は、すでにオフラインでの性能試験を終えているので、マンパワーの確保ができれば、速やかに進展させられるであろう。
開発課題が残っている大型アルゴンガスセルについては、バックグランドとなる残留ガスによる分子イオンの低減を図るため、ガスセル部材の見直し、冷却によるアウトガス低減化などについての検討などを行い、ガスセル引き出し後のレーザーイオン化効率の改善を図る。課題の克服が原理的に難しいとの判断になった場合は、ヘリウムガスセル＋中性化器の導入など、新たな方針を立てねばなるまい。レーザーによる超微細構造測定は、本研究の物理課題の一翼を担うものであり、科研費研究期間内での実現が難しいものだとしても、測定の可能性は追い続けてゆくべきだと考える。
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| Remarks |
未知中性子過剰原子核の生成に本研究で活用している多核子移行反応や超重原子核生成に有効とされてきた重イオン核融合反応など、低エネルギー重イオン反応機構の今日的な研究課題について、国内の主要な研究者を集めて、集中的な議論を行うための研究会、「低エネルギー重イオン反応と超重元素の科学」を開催した。r-過程終焉の物理を進めていくうえで重要な知見が得られた。
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