BRILLIANT 計画資料

2011.12.28

民井

BRILLIANT

Beam system for Reaction of Isotopes of Long-life with Light-Ions Applying Normal kinemaTics

準安定核の順運動学反応による核分光

寿命の比較的長い不安定核（準安定核）を生成しホスト標的にインプラントすることで準安定核停止標的を作る。軽イオンビームを照射し、順運動学と質量欠損法により励起状態・共鳴状態の性質を探る。

極小ビームスポットの高輝度高品質ビームによりルミノシティをかせぐ。高分解能、低運動量移行

準安定核停止標的

順運動学質量欠損法核分光

高輝度高品質ビーム

安定核 準安定核 (>1分 )核種 ～ 280 ～ 1480アイソマー　　 1 　 310N=Z核 　　 13 　 24Odd-Odd核　　 4　 333最大スピン　 7 　　 37/2Isotopes:Ni 58-64 　 56-66Zr 90-96 84-97Sn 112-124 106-130Pb 204-208 190-214

軽イオン核反応による励起状態の精密核分光の舞台を大幅に拡張する！・ N=Z 核標的・ Odd-Odd 核標的・超寿命アイソマー・高スピン核標的・基底状態とアイソマーの２重標的・大変形核標的・ Momentum-Transfer-Less Reaction・ベータ崩壊と荷電交換反応の直接比較・偏極実験、崩壊同時測定、不安定核＋不安定核反応

BRILLIANT

High-Resolution Spectroscopy of Nuclear Excited Statesfor Stable and Rare Isotopes

via Light-Ion Induced Reaction with Normal Kinematics

軽イオン核反応による励起状態の精密核分光という研究（物理）の舞台を大幅に拡張する！

対象： 安定核および分程度以上の寿命の核手法： 軽イオンビームとの順反応、質量欠損法、

スペクトロメータ、 ( 崩壊粒子同時計測 )

特に fusion reaction で作られる ( 安定核よりも ) proton-rich 側に対して有利。

新入射サイクロトロン建設計画　 Separated sector, Super-Conducting → High Intensity Beam

現入射 (AVF) サイクロトロンを、 Fusion Reaction による不安定核生成に用い、新入射サイクロトロン＋ RING サイクロトロンの高輝度軽イオンを用いて、これまで培われた軽イオン反応精密核分光技術の対象を不安定核に広げる。

min や sec 　オーダーの寿命を持つ不安定核はゴマンとある。→ Projectile Fragmentation と逆運動学のみに頼る必要はない！→ アイソスピン非対称のフロンティアのみに特化する必要もない。

Light Ion Beamfrom AVF-RING CyclotronsHigh ResolutionSmall Beam Spot: 10m,High Intensity: 1A

HI Beam from AVF or LINACSmall Beam Spot 10m,High Intensity

Fusion Reaction etc.

Wire Target?1 mg/cm2

Thin stopper targetAu, CHO or Solid H2

~ 1 mg/cm2

Target Moving System

Recoil SeparatorMagnetWien Filter, RF Separator or Gass-Filled Separatorwithout degarader

Implantation of Isotopes with life time >~ 1min

Luminosity Monitor

ポイント•高輝度（高強度小スポット）、高安定のビームが必要　⇒ RCNP で培った加速器技術のさらなる発展

•検出側は既存のスペクトロメータや検出器などが使える。⇒現在の検出装置が使える。　現在の実験も可能（むしろ実験条件向上が期待できる）。

•安定核で培った Reaction Mechanism や Spectroscopy の　手法がそのまま使える。　⇒その上で物理の対象（舞台）が広がる。

•10 MeV/A 領域の Fusion Reaction 生成による中重核、 ( 安定　核よりも）陽子過剰側の研究が主体 　⇒世界の不安定核研究は中性子過剰側の重点が高く相補的

• 高強度小スポットのビームにより核を生成し、十分に分離し、　小スポットに Implant できるか。⇒ Challenging

ポイント•Implant 標的からの B.G. を抑えて見たい反応を測定できるか？　⇒ 固体水素標的？ Q-Value の差を利用？　⇒ Challenging

ともに追求できる発展

•ビームの高品質化（エミッタンス、安定度）　ビームスポットが小さくなることで、現在の分解能をさらに　飛躍的に向上できる可能性がある。（超高分解能測定）

•極小生成点からの不安定核生成・分離技術

-極小 Focus 点でのレーザー分光（ Luminocity が上がる）

- ピンポイント不安定核 Implantation物性、生物等々の応用研究

　　小面積中への複数種不安定核の Implantation

Stable Isotopes

Half Life > 1 year

Half Life > 1 day

Half Life > 1 min

Half Life > 1 sec

Half Life > 1 msec

Isotopes in NNDC

Stable Isotopes

112Sn

124Sn

Half Live > 1 year

112Sn

126Sn

Half Live > 1 day

126Sn

112Sn

Half Live > 1 min

130Sn

106Sn

Half Live > 1 sec

134Sn

101Sn

Half Live > 1 msec

137Sn

100Sn

Isotopes in NNDC

138Sn

100Sn

Stable Isotopes

Odd-Odd Nuclei

Half Life > 1 year

Odd-Odd Nuclei

Half Life > 1 day

Odd-Odd Nuclei

Half Life > 1 min

Odd-Odd Nuclei

Half Life > 1 sec

Odd-Odd Nuclei

Half Life > 1 msec

Odd-Odd Nuclei

Isotopes in NNDC

Odd-Odd Nuclei

40Ca

N=Z Nuclei

Stable Isotopes

Half Live > 1 year

N=Z Nuclei

44Ti

Half Live > 1 day

N=Z Nuclei

56Ni

Half Live > 1 min

N=Z Nuclei

64Ge

Half Live > 1 sec

N=Z Nuclei 96Cd

Half Live > 1 msec

N=Z Nuclei100Sn

Isotopes in NNDC

N=Z Nuclei100Sn

アイソスピン非対称核の物理

　不安定核 (T0~0) と安定核 (T0>0) との比較を行う

　本来アイソスピン依存性を研究するには、　 T0=0 と T0≠0 の比較を行うのがベスト

　（中）重核

　安定核および中性子過剰核の物理では、陽子と中性子の　寄与の差（アイソベクトル的寄与）が、アイソスピン依存性　から来ているのか、シェル軌道の違いから来ているのか　分離しにくい。

→ N≠Z の安定核と N~Z の不安定核の研究の比較

例 : 巨大共鳴、 Nuclear Incompressibility, PDR, Neutron Skin 、反応機構、密度分布などなど

物理の芽

・ IS/IV p-n correlation, mass dependence

・ N=Z even-even 核で Alpha Cluster の発達。　粒子放出閾値に近づくと変化があるか？

Nuclear Astrophysics 　

・ Type-1 Supernovae 中の核反応、元素合成過程

・ Nuclear Astrophysics で重要な核の励起状態のエネルギー、（部分）幅、スピン・パリティの情報を調べる。

•p-nuclei, p-process の研究

N=Z ラインの物理

Odd-Odd 核の物理※ 安定核近傍では (3He,t) などの荷電交換反応でも研究可能

・余剰陽子、中性子の相関、相互作用

・ 3 軸非対称変形、 Parity-Doublet, Chiral-Doublet, Wobbling Mode 等々、特徴的状態の探索、研究

・超寿命 Isomer 、超寿命 Isomer から 基底状態への誘導崩壊

• スピンの大きい基底状態から励起する巨大共鳴。

• Stretched State で構造の不定性を少なくした状況での　核構造、核反応を研究。配位混合の研究。

Beta-Decay

　　ベータ崩壊⇔荷電交換反応の直接比較が可能、反応機構

Stimulated Decay ( 誘導崩壊 )

・ Stimulated Proton-Decay

・ Stimulated Alpha-Decay

・ Stimulated Decay of Isomers

・ （核消滅研究への寄与？）

発見されている基底状態は本当に基底状態か（ Isomer? ）

→ 基底状態探索高 Q-Value 反応、発熱型反応 (n,p)-type CE, 2p pick-up,... 　 Momentum transfer-less 励起機構を適用した研究 implantation 標的からの background が分離しやすくなるメリットあり

(relatively) 高スピン基底状態から励起状態への励起

　・高スピン基底状態からの巨大共鳴 ( 高スピン ) の励起

　・振動モードの系統的測定

　・ Isomer と g.s ２つの状態からの同じ励起状態の励起　反応の比較

　→反応機構の研究

　→天体中での励起状態からの励起反応機構の研究に寄与？

大変形基底状態との核反応

　・基底回転バンド測定、変形パラメータ　　複数の基底回転バンド→ 3 軸非対称変形？

　・陽子 etc弾性散乱測定による核密度分布測定、　　変形パラメータの系統的測定

　・大変形核の巨大共鳴、励起強度の splitting

励起状態の中性子崩壊が hinder される ( 安定核より陽子過剰 ) 。

　・陽子崩壊は Coulomb障壁を超える必要がある。　　核構造によっては、遠心力ポテンシャル障壁もある。

　　陽子崩壊⇔ γ 崩壊の競合過程

　　陽子崩壊⇔ α 崩壊との競合

　　２ p 崩壊、

　　 d 崩壊

　　（巨大）共鳴状態の微細構造の発達

・ 核子放出崩壊に対する“超安定核”

　　中性子崩壊はフェルミ面が低いことにより hinder される

　　陽子崩壊はクーロンバリアにより hinder される

　

陽子過剰不安定核に HI を照射して反応させる実験の可能性も。→いまのところあまり有利ではなさそうGMR や PDR の Isospin依存性など既存の物理の進展の可能性も記載。

n-rich 側の構造研究は、ある意味で安定核の励起状態（のアナログ状態）を調べていることになる。（※そうでない研究もある）

p-rich 側で N=Z 側に近づく場合構造研究には、安定核にアナログが存在しない状態を調べている。

Additional Remarks

γ 分光との関係

・ γ 分光でできない研究を企画

　多数

・ γ 分光への寄与、　回転バンドのスピンパリティ決定や、バンドヘッド、低励起状態との繋ぎなど

・ γ 分光との組み合わせ（同時測定）　励起状態をタグして、ガンマ崩壊を測るなど、

偏極軽イオンビームとの反応

偏極不安定核と偏極軽イオンビームの反応　

Beam:

1 pA beam (10m) = 1013 particles/10m

Target production 107 nuclei/sec (size 10m) life time 100 sec

→ 109 nuclei/10m = 1015 nuclei/cm2 に相当

Luminosity = 1013 particles × 1015 nuclei/cm2 = 1028 cm-2

1mb = 10-27 cm2

　 → 10 reactions/sec

1mb/sr　→ Solid angle of the GR (1msr)

　　　 1 event/100sec for 1mb/sr

　→ Solid angle of the LAS (20msr)　　　 1 event/5sec for 1mb/sr

Typical ｔ hickness of an implantation foil:

~1018 nuclei/cm2

1pnA beam × 1mg/cm2 標的 (A=100)の場合、Luminosity = 1028 cm-2

必要な装置　＝　 Challenges

標的生成用加速器　・ Low Emittance, small beam spot (10m)　・ High Intensity ( >> 1 pμA)Recoil Separator 、核生成器　・核種を 100m~1mm以上分離して Implant できるか？　・ Isobar が異なる charge state で混じってくるものの分離ができるか　　どうかが鍵になりそう。　　→ Gas-Filled Separator (アクセプタンスは大きくなる、　　　 Implantation Spot は大きくなってしまう ) 軽イオンビーム加速器　・ Low Emittance, small beam spot (10m)　・ High Intensity ( > 1 pμA)

Implantation Target (<~1mg/cm2)

　・ Solid Hydrogen target is probably the best　・ Very Isotope Enriched CHO target?

検出器、スペクトロメータ

　・崩壊粒子、多粒子同時測定

　・ Implantation 標的からのバックグラウンドの軽減？　高計数検出器　・軽イオンビームのビームスポットが小さくなることを利用した、　　超高分解能測定の可能性（安定核標的を含む）

Normal Kinematics⇔Inverse Kinematics との比較

Inverse Kinematics

•大立体角を覆いやすい。•系全体の運動エネルギーが大きいので分解能を出しにくい。角度分解能向上で補う。•Low-momentum Transfer Reaction などリコイルエネルギーの小さい Missing Mass 測定が難しい•Invariant Mass 法による励起エネルギー測定。　分解能を出しにくい。低相対エネルギー崩壊粒子を測定しやすい。崩壊部分幅が測定しやすい。•ビーム強度が小さいのでバックグラウンドが少ない。全粒子測定が可能。偶然同時係数が小さい（標的厚によるが）

Normal Kinematics⇔Inverse Kinematics との比較

Normal Kinematics

Inverse Kinematics

Inverse Kinematics

•Fusion 生成物などビームエネルギーが小さいと標的を厚くできない。再加速するとビーム量が減る。

標的を原子炉で生成したり、ビーム照射で生成したりする可能性もあるであろう。

（生成物の比率が全体に比べて小さくなりがちであるが）

ビームタイムを有効活用するために、標的部分を覆う大立体核の高速同時計測検出器も検討すべき。

γ線 etc 同時計測は、 S/N向上に役立つ。しかしイベント量は減る。

Additional Remarks on the Experimental Feasibility

END