Search for Alpha Condensed States by Using Neural Network Techniques

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Clustering as a window on the hierarchical structure of quantum systems
• Project/Area Number: 19H05153
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 川畑 貴裕 大阪大学, 理学研究科, 教授 (80359645)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: アルファ凝縮状態 / Si半導体検出器 / 波形解析 / ニューラルネットワーク

Outline of Annual Research Achievements

本研究では原子核におけるアルファ凝縮状態を系統的に探索し、その存在を確立したうえで、エネルギーや崩壊幅から低密度核物質の物性を明らかにすることを目的とする。アルファ凝縮状態は複数の低エネルギーアルファ粒子を放出しつつ、より軽い核のアルファ凝縮状態を経由して崩壊されると考えられるが、アルファ凝縮状態近傍の励起状態からは、アルファ粒子だけではなく陽子や重陽子など種々の荷電粒子が放出されるため、これらの粒子種別を弁別すると同時に、大立体角をカバーして低エネルギーの崩壊粒子を高い効率で検出することのできる大面積の粒子検出器が必要である。しかし、低エネルギー粒子の粒子識別は技術的に難しい。そこで本研究では、検出器からの信号波形を解析することにより粒子識別することを着想した。Si半導体検出器に荷電粒子を入射すると、同じエネルギーの粒子であっても種類によって停止する深さが異なるために、電極から読み出される信号の波形が粒子の種類ごとに変化する。この波形の微小な変化を、近年発展の著しいニューラルネットワーク技術を導入し、信号波形のもつ入射粒子についての情報を劣化させることなく多次元解析することによって、従来手法に比べ高精度で低エネルギー荷電粒子を識別できる技術の確立を目指した。
はじめに、大面積シリコン検出器を購入し、Flash ADC を用いて検出器からの出力信号波形を500 MHzのサンプリング率で取得できるデータ収集回路を構築した。さらに、神戸大学海事科学部のタンデム静電加速器施設において、3 MeVの陽子・重陽子・アルファ粒子を検出器に入射させ、これらの粒子に対する出力波形を取得した。現在、データ解析とニューラルネットワークの育成を行っている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

施設側の都合により、加速器を用いての粒子識別技術の開発実験を令和元年度中に行うことができなかったが、繰越により延長した令和2年度7月にデータ取得を行うことができた。現在、そのデータ解析を行ってニューラルネットワークの育成を行っている。今後、検出器の数を増やして大面積化を図り、アルファ凝縮状態の探索を行う予定である。

Strategy for Future Research Activity

東北大学サイクロトロン・ラジオアイソトープセンターにおいて、核破砕反応によって生成された連続エネルギーの荷電粒子を検出器に入射させ、 粒子識別技術開発のための波形データを取得する。さらに、現在1枚（表面 16 ch、裏面 8 ch）のシリコン検出器を5枚に増強し、本実験に用いるためのフルセットアップを構築する。検出器の架台、全チャンネル(120ch)を読み出すための回路を整備した後に、日本原子力研究開発機構に移設し、陽子・重陽子・α線を照射して全システムの最終確認を行う。最終確認の後に、同機構の大型タンデム静電加速器を用いて12C+12Cの共鳴散乱実験を実施し、24Mgにおけるα凝縮状態の探索を行う。収集したデータについては直ちに解析を実施し、その成果を国内外の研究集会で公表するとともに、学術論文を出版する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ブリュッセル自由大学(ベルギー)
  • Country Name: BELGIUM
  • Counterpart Institution: ブリュッセル自由大学
• [Journal Article] Particle Identification by Pulse-Shape Analysis with Neural Network (2020)
  • Author(s): Yuto Hijikata, Takahiro Kawabata, Yoshiko Kanada-En’yo, Kenichi Yoshida, Yui Arakawa, Kento Inaba, Shiyo Enyo, Shintaro Okamoto, Kazuki Katayama, Ryota Kongo, Akane Sakaue, Kosuke Sakanashi, Shu Takagi, Takanobu Doi, Yuki Fujikawa, Tatsuya Furuno, Rinko Matsumoto, Takuya Mikami, Keiko Miyazato, and Motoki Murata
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 31 Pages: 011050
  • DOI: 10.7566/JPSCP.31.011050
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Search for the α Condensed State by Measuring the Inelastic Resonance Scattering 12C(12C,12C[0+2])12C(0+2) (2020)
  • Author(s): K. Sakanashi, T. Kawabata, Y. Kanada-En’yo, K. Yoshida, K. Inaba, T. Doi, T. Furuno, A. Sakaue, Y. Fujikawa, S. Okamoto, K. Katayama, Y. Arakawa, S. Enyo, R. Kongo, S. Takagi, Y. Hijikata, R. Matsumoto, T. Mikami, and K. Miyazato
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 31 Pages: 011074
  • DOI: 10.7566/JPSCP.31.011074
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Search for α-Condensed State in 20Ne (2020)
  • Author(s): Y. Fujikawa, S. Adachi, T. Kawabata, M. Tsumura, A. Sakaue, K. Inaba, T. Doi, R. Fujii, H. Furuta, T. Harada, S. Okamoto, R. Sekiya, A. Tamii, N. Kobayashi, T. Furuno, M. Itoh, Y. Matsuda, S. Ishida, Y. Maeda, K. Nonaka, C. Iwamoto, and H. Akimune
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 31 Pages: 011062
  • DOI: 10.7566/JPSCP.31.011062
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 20Neにおけるα凝縮状態の探索 (2020)
  • Author(s): 藤川祐輝, 足立智, 川畑貴裕, 津村美保, 阪上朱音, 稲葉健斗, 岡本慎太郎, 土井隆暢, 関屋涼平, 原田健志, 藤井涼平, 古田悠稀, 民井淳, 小林信之, 古野達也, 伊藤正俊, 松田洋平, 石田駿野, 前田幸重, 野中光太郎, 岩本ちひろ, 秋宗秀俊
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] GAGGシンチレータを用いた荷電粒子の波形弁別 (2020)
  • Author(s): 坂梨公亮, 川畑貴裕, 足立智, 稲葉健斗, 土井隆暢, 古野達也, 藤川祐輝, 黒澤俊介, 山路明宏
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] 20Ne(a,a'+a)測定による20Ne原子核のアルファ凝縮状態の探索 (2020)
  • Author(s): 足立智, 藤川祐輝, 川畑貴裕, 秋宗秀俊, 石田駿野, 稲葉健斗, 伊藤正俊, 岩本ちひろ, 岡本慎太郎, 小林信之, 阪上朱音, 関屋涼平, 民井淳, 津村美保, 土井隆暢, 野中光太郎, 原田健志, 藤井涼平, 古田悠稀, 古野達也, 前田幸重, 松田洋平, 村田求基
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] Search for α-Condensed State in 20Ne (2020)
  • Author(s): Y. Fujikawa, S. Adachi, T. Kawabata, M. Tsumura, A. Sakaue, K. Inaba, T. Doi, R. Fujii, H. Furuta, T. Harada, S. Okamoto, R. Sekiya, A. Tamii, N. Kobayashi, T. Furuno, M. Itoh, Y. Matsuda, S. Ishida, Y. Maeda, K. Nonaka, C. Iwamoto, and H. Akimune
  • Organizer: The 15th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies (OMEG15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nuclear experimental approach to cluster correlation and nucleosynthesis in the universe (2019)
  • Author(s): T. Kawabata
  • Organizer: The 15th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies (OMEG15)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Particle Identification by Pulse-Shape Analysis with Neural Network (2019)
  • Author(s): Yuto Hijikata, Takahiro Kawabata, Yoshiko Kanada-En’yo, Kenichi Yoshida, Yui Arakawa, Kento Inaba, Shiyo Enyo, Shintaro Okamoto, Kazuki Katayama, Ryota Kongo, Akane Sakaue, Kosuke Sakanashi, Shu Takagi, Takanobu Doi, Yuki Fujikawa, Tatsuya Furuno, Rinko Matsumoto, Takuya Mikami, Keiko Miyazato, and Motoki Murata
  • Organizer: The 15th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies (OMEG15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Search for the α Condensed State by Measuring the Inelastic Resonance Scattering 12C(12C,12C[0+2])12C(0+2) (2019)
  • Author(s): K. Sakanashi, T. Kawabata, Y. Kanada-En’yo, K. Yoshida, K. Inaba, T. Doi, T. Furuno, A. Sakaue, Y. Fujikawa, S. Okamoto, K. Katayama, Y. Arakawa, S. Enyo, R. Kongo, S. Takagi, Y. Hijikata, R. Matsumoto, T. Mikami, and K. Miyazato
  • Organizer: The 15th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies (OMEG15)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] OMEG15 Symposium
  • URL: http://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/~omeg15/
• [Funded Workshop] The 15th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies (OMEG15) (2019)