4He の光分解反応の断面積測定

京都大学大学院理学研究科石井佑季

2012 年度京都大学理学部卒業研究 (P4)

2013/7/27 RCNP 研究会

目次• 実験背景• 過去のデータ• 実験概要• 解析• 結果と考察• 課題

MeV-γ 線による原子核物理• 原子核物理　　電気、磁気多重極遷移による巨大共鳴構

造　　核異性体の光脱励起、 spectroscopy

• 天体核物理　　 ѵ-A reaction( 電弱励起 ) ,p-process　　　→超新星爆発のシナリオ、　　　　超重元素合成過程の解明　　　　　　　　　　　　　　　　　… etc⇒Eγ ～ 20MeV で現れる、 E1 遷移による　巨大双極子共鳴 (GDR) に着目。　例） (γ,p),(γ,n) チャネルの反応断面積　→　核力の荷電対称性の破れ

Crab nebula

4He の光分解反応4He の光分解は荷電対称性の検証に適している !!

1.4He g.s. のアイソスピンが純粋 (T=0)2.Z が小さく、クーロン力の効果が小さい3. 終状態に励起状態がない4.Eγ ≤ 30 MeV では、 E1 遷移が支配的5. Eγ ≤ 40 MeV では (γ,p),(γ,n) 以外のチャ　　　 ネルが無視できるRexp

γ = σ(γ,p)/σ(γ,n) ～ 1.1 – 1.7

γE1

⁴He g.s.

³H+p

1- , 1

Jπ, T = 0+, 0

4He GDR

³He+n

Q=19.8 MeV

Q=20.6 MeV

4He の光分解反応の過去データ4He(γ , n)3He4He(γ , p)3H

R.Raut et al. PRL (2012) W.Tornow et al. PRC (2012)

・多くの実験において、 25MeV 付近に GDR のピークを観測。　しかし、実験ごとに測定値の大きな相違がみられる。・ Shima et al のデータ ( 赤丸 ) では 30MeV 付近に GDR のピーク　∴ 未だ十分な精度のデータが得られていない。 　　新たな物理の可能性 ! ？

実験施設概要

実験装置

NaIシンチ

施設と γ 線発生の原理

レーザー装置

New SUBARU

ニュースバル放射光施設　 in Spring-8

・蓄積リング中の電子のパラメータ　 Ee = 974 ～ 1460 MeV　 ΔE/E = 0.04% (@974 MeV)　 Ce = 150 ～ 350 mA・使用したレーザー　 Nd: λ = 1.064μm, 発信周波数 20kHz,Max 35 W　 Er: λ = 1.55μm, 発信周波数 200kHz,Max 5 W・ γ 線強度 :104 ～ 105 γ/s

蓄積電子にレーザーを照射し、逆コンプトン散乱を起こしてγ 線を生成する。

検出器概要

γ 線

真空ポンプと4He ガスボンベ

コリメータ

横

正面液シン

液シン液シン

液シン

液シン

液シン

入射側 出射側

γ 線

Si×8 Si×8

γ 線

γ線

Si 検出器

Si 検出器

Si 検出器

検出器の仕組み

γ 線

真空ポンプと4He ガスボンベ

コリメータ

横

正面液シン

液シン液シン

・ (γ,p) は Si 二枚で、(γ,n) は　 Si と液シンで検出。

・崩壊粒子はほぼ逆方向に飛んでいく→ (γ,p) と (γ,n) を抽出

500μm Si ×8325μm SI ×8

γ 線(25.7 ～ 32.7MeV)

液体シンチレータ

t

p3He

n4He 気体(0.5 ～ 1.8atm)

NaI 検出器

検出の仕組み

3He

n

pt

解析 (γ-p)

Si1 での Enegy Loss(MeV) VS Si2 での Energy Loss(MeV)

Si1 と Si2 から来た信号の時間差(ns)

25 ns 以上の時間差の信号はほとんどない。

→ 時間差 50 ns 未満の信号のみ　選択する。

→ 計算で得た Energy 、また Simulation( 後述 )　と合致するものを目的の Event とした。

液体シンチレータ

t

p

3He

n

Ep : Et ≈ 3 : 1

Emin ≤ Ep+Et ≤ Emax

Si1

Si2 Pp+Pt ≈ 0Mp : Mt ≈ 1 : 3

解析 (γ-n)

Pulse Shape Discrimination

→Liquid Scintilator で検出された n と γ のうち、 nを選び取る。

252Cf を用いた、 n に対する液体シンチレータの検出効率測定結果

液体シンチレータ

t

p

3He

n

Pulse 全体 Tail 部分

積分

解析 ( 光子数 )

NaI に 1,2,3,4 個の Photonが来たときのスペクトルの形( 横軸： ch)

左のようなスペクトルの重ね合わせとして NaI のスペクトルをフィッティングした結果 ( 横軸 :ch)

赤： NaI スペクトル緑：フィッティング

→ 平均値 × レーザー周波数 × 時間 から入射光子数を得る。

1

23 4

1

2

3

4

5

6

フィッティング × 検出効率→ 平均値 :9.48

レーザーの発振周波数　… 20 kHz (50 μs 周期 )

液体シンチレータ

t

p3He

n

NaI

解析 ( 検出効率 )

Ep(n)

Et(3He)

θ

4He に γ 線が入射し、光分解して運動学の計算に従った Energy 、角度分布で生成した粒子が飛ぶイベントを生成する Simulation 。

Simulation と実験データの比較

→ 十分実験を再現できている　　 とし、検出効率を得た。

・細かい点が　 Simulation・大きな点が　実験データ

結果 (γ,p) Eγ(MeV) T(hour) φ(photons) Ni(counts) Nt(counts) σ(mbarn)

24.4±1.0 11.0 (3.1±0.3)*10⁹ 1960±417 (4.5±0.1)*10-7 1.43±0.3627.4±0.6 1.1 (5.7±0.6)*10⁸ 320±33 (2.8±0.01)*10-7 1.97±0.3131.9±0.7 4.1 (2.3±0.2)*10⁹ 1270±88 (5.5±0.03)*10-7 1.01±0.13

→ 大きな誤差が見られる　ものの、 Shima et al のもの　よりは理論曲線や他の　データと近い結果となった。Shima et al

データ

今回のデータ

結果 (γ,n)Eγ(MeV) T(hour) φ(photons) Ni(counts) Nt(counts) σ(mbarn)

31.9±0.7 4.1 (2.3±0.2)*10⁹ 1050±187 (5.5±0.03)*10-7 0.85±0.17

Shima et alデータ

今回のデータ

→(γ,p) の 31.9MeV の点と 似た位置 ( 理論曲線よ り少し下 ) に結果が得 られた。

→ 実験に系統的な 誤差がある可能性。

課題 ・誤差の改善と測定点の追加。

原因と改善案・統計誤差　→これらのビームタイムをより長くとる。　→検出器の形状を工夫し、標的のガス圧力を上げる。

・入射光子数のフィッティング誤差　→取り損ねていた γ 線のデータの採集。・ Eγ の幅　→ビームを細くしてエネルギー幅を小さく。

液体シンチレータ

t

p3He

n

液体シンチレータ

tp

3Hen

ガス圧力の制限

Si に届く前に粒子が止まる→Si までの距離を　 短くする

Eγ(MeV) T(hour)

24.4±1.0 11.0

27.4±0.6 1.1

31.9±0.7 4.1

誤差を半分にする操作・・・ガス圧 1.5倍 , ビーム径0.5倍24.4 MeV 　→ 27 hour27.4 MeV 　→ 11 hour31.9 MeV 　→ 44hour

今回の測定時間

共同実験者

川畑貴裕 [1]

延與佳子 [1]

足立智 [1]

馬場辰雄 [1]

小林史治 [1]

松田洋平 [1]

秋宗秀俊 [2]

宮本修治 [3]

金子雅紀 [1]

小野光 [1]

小田真 [1]

寺本研介 [1]

中島裕人 [1]

吉井正晃 [1]

[1]京大理　 [2]甲南大理工[3]兵庫県立大学高度研