実験屋のための実践的核反応論

東大CNS 下浦 享

はじめに

(目標)

「核反応で、何をどうやれば何がどの程度わかるか?」についてのセンスを磨き、実験提案や実験解析に実践的に生かせるようになろう

(素朴な疑問)

• 核反応モデルの背後にある基本的考え方、予言能力、限界は？

• 計算コード(ECIS, DWUCK, ...)は結局何を計算しているのか？

• 手計算で何がわかり、計算コードの出力から何を読み取るのか？

• その他(受講者からの疑問を歓迎する)

(内容)

初日(2コマ)は、主に青色の部分について、非相対論的な散乱の量子論の解説を中心にする

(資料)

プレゼンテーションに加えて、実際の計算のための公式、コードの使い方、advance level の公式などのメモを提供する

Menu• おさらい

• Distortion• 核子あたり 100 MeV 以上の陽子衝突を除いて、平面波ボルン近似の

criterion は満たさない

• 別の近似方法：Eikonal 近似

• 相互作用領域で、どれくらい波が歪んでいるのか？

• 歪んだ波を用いた近似は？ (DWBA)• 非弾性散乱と B(Oλ)

• Isovector と Isoscalar• Bernstein’s Prescription• 核応答

• 集団性、相関

• Spectroscopic Factor について

• ANCとSpectroscopic factor• DWBAコードの使い方、注意点

おさらい

a+A → (b+B) 反応

この反応を含む、a+Aで入射する核反応を記述する波動関数は、漸近形が

以下の条件を満たさなければならない• すべての開いたチャンネルには、原点から外向きに広がる波がある• 入射チャンネルだけに入射平面波がある• 入射平面波以外に内向きの波はない• 閉じたチャンネルの振幅は0である

これらの条件を満たす波動関数

( )

( )( ) ( ) ( )

Bb

Aa

kkfr

rikrk

φφφ

φπ

φφϕ

β

ββ

βαβαβ

ββ

αααα

=

>+

+→Ψ

∑

+

2body,exp

21

,

2/3

)(

rr

rr

( ) Amplitude Scattering : , βαβα kkfrr

おさらい

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( )( )

( )

α

α

α

ααα

ααα

αααα

αααααα

αααα

µεε

πϕ

ϕξφξφ

ξφεξφξξφεξφξµ

ξξ

ξξξξξξξξ

2

wavePlane Incoming :

exp2

1,

][at offunction eigen an : ,

;

][ 2

,,

,,,, ; ,,

22

2/3

22

kE

rkirk

rHrk

hh

rrTrh

rVrTrhEHVHrhhhH

Aatot

tot

AAaa

AAAAAAAaaaaaaa

Aa

AaAa

AaAAaa

h

rrrr

r

rr

rhrr

rrr

r

++=

⋅=

∞→=Φ

==

∞→∇−=→

+=Ψ=Ψ+=++=

Aa

αααµ kpr

hr

= ;

2体の重心系 (a+A=αチャンネル) のハミルトニアン、固有関数

(a+A) → b+B 反応： b+B チャンネルのハミルトニアン おさらい

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( )( ) ( ) ( ) ( )

][at functionseigen :

,exp

21

and ,

;

][ 2

,,

,,,,,,,,

2/3

22

∞→

=Φ

=Φ

==

∞→∇−=→

+=

+=++=++=

β

βαβαβ

βββ

βββ

βββ

ββββ

ββββββ

ββββ

αα

ξφξφπ

ξφξφϕ

ξφεξφξξφεξφξ

µξξ

ξξξξ

ξξξξξξξξ

r

kkfr

rikrk

hh

rrTrh

rVrTrhVHrhhh

rhhhH

BBbbsc

BBbb

BBBBBBBbbbbbbb

Bb

BbBb

BbBBbb

AaAAaa

r

rr

rr

rhrr

rrr

r

r

β

β

α

α

µεε

µεε

22

2222 kkE BbAatot

hh++=++=

Bb

βββµ kpr

hr

= ;

おさらい

Lippmann-Schwinger Equation境界条件を含んだ積分方程式

( ) ( )( )

( ) ( ) ( )

( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )EES

EViHE

EE

EiHE

i

EViHE

EE

VHVThhHEEEH

Aa

)()(

)()(

)()(

)()(

1

1

+−

−−

++

++

ΨΨ=

Ψ−−

+Φ=Ψ

Φ+−

=

Ψ+−

+Φ=Ψ

+=+++=Ψ=Ψ

αββα

ααα

αα

α

ααα

αα

αααα

αα

η

ηη

η

内向き球面波をもつ解

散乱行列(S行列)：平面波 Φβ が見出される確率振幅

外向き球面波をもつ解

おさらいT 行列、微分断面積、散乱振幅

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

( ) ( ) ( )βαβαβ

βαβα

βαβαα

β

β

βα

αααααααββββ

ααααββββββββαβα

µπ

σ

ξξξ

ξξξ

kkTkkf

kkfvv

dd

rkrVrk

rkrVrkkkT

rr

h

rr

rr

rrrL

rr

Lrrrrrrr

,2

,

,

FormPrior :

,,,,,,

FormPost :

,,,,,,,

2

2

2

)(

)(

−=

=Ω

ΦΨ=

ΨΦ=

−

+

平面波

T行列が計算できれば、微分断面積が計算できる

おさらい

平面波ボルン近似 (PWBA)

( ) ( )( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )FormPrior :

,,,,,

FormPost :

,,,,,,

...,,,,,

...,,,,,)(

)(

αααααααββββ

ααααββββββββαβα

ββββββββ

αααααααα

ξξξ

ξξξ

ξξ

ξξ

rkrVrk

rkrVrkkkT

rkrk

rkrk

rrrrr

rrrrrrr

rrL

rr

rrL

rr

ΦΦ≈

ΦΦ≈

+Φ=Ψ

+Φ=Ψ−

+外向き球面波

内向き球面波

平面波ボルン近似 (PWBA) おさらい

( ) ( )( ) ( ) ( )⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+−≈ qRj

Ra

qRqRjqaRVkkT 0

212

2

30 2exp

2',

παα

rr

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )( )

( )[ ]aRrV

aRt

aVdtrV

drrdV

RrrV

qRjqRRaqRjqR

RaqRj

qaqYRVkkT

aqYqRjRVqYrVqrjdrrkkT

r

l

l

lT

ll

lll

lTll

/exp14exp

22

Form Tassie :

44

exp2

',

]0[ 22

1',

02

2

20

2

1

02

4

1

2

2

202

3202

'

02

30

02

2'

−+≈⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −−=

−=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+

×−≈

→≈≈

∫

∫

∞

−

−

=

π

β

πβ

πβ

π

αα

αα

)rr

))rr

弾性散乱

非弾性散乱

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

0 5 10 15 20

Full (W-S)

W-S

Eikonal

1

10

100

1000

10000

100000

0 5 10 15 20

Square Well

Full (W-S)

W-S

弾性散乱の平面波ボルン近似

( ) ( )[ ]aRriWVrV

/exp100

−++

−=

MeV 240

amu 68644

fm 65.0fm 5MeV 0MeV 10

0

0

=

⋅=

====

inT

aRWV

µMeV 240

amu 68644

fm 65.0fm 5

MeV 40MeV 100

0

0

=

⋅=

====

inT

aRWV

µ0.7

Distortion, Eikonal, DWBA

Born近似のCriterion:

( ) 1)(1 0

02

022 <<=≈−− ∫

∞

rel

ikr

vRV

kRVdrrVe

k hhh

µµ

ほとんどみたされない！

fm MeV 340~ ; fm MeV 20060~ 0 ××− projrel ARVvh

相互作用領域の波動関数は平面波とかなり違う

( ) ( )Lrr

Lrr

,,, , ,,, )()(ββββαααα ξξ rkrk −+ ΨΨ

PWBAは、吸収の効果（別のチャンネルへのflux）をとりこめない

MeV) 02(for fm 1.4 ~

fm 2

pp

AW~A

Wmfp

µh

=

のよりよい近似は？

弾性・非弾性散乱

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

( ) ( ) ( )''2

2

''

2

''''

)('

')(

'

)(

)(''''

,2,

,

ofcomponent Fourier : FormPrior :

,,,,,,

ofcomponent Fourier : FormPost :

,,,,,,,

αααααααα

ααααα

α

α

αα

α

αααααα

α

αααααααα

µπ

σ

ξξξ

ξξξ

kkTkkf

kkfvv

dd

V

rkrVrk

V

rkrVrkkkT

rr

h

rr

rr

rrrL

rr

Lrrrrrrr

−=

=Ω

Ψ

ΦΨ=

Ψ

ΨΦ=

−

−

+

+

相対座標、内部座標、相互作用演算子が共通

T行列は、VΨの Fourier 成分で表現される

弾性・非弾性散乱の Eikonal近似 (Glauber 模型)

( ) ( )( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

∂∂

≈Ψ

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−≈Ψ

=+∂∂

−⇒⋅=Ψ

⋅≈⋅−=

<<−>>≈

==

==++=

∫

∫

∞−

⋅+

∞−

+

+

zrki

z

zbVdzvi

zeviV

zbVdzvirk

Vfzfkirfrk

bqrqkkq

kVkk

rkkrkrTrkkrkrT

hhrVrThH

ξ

ξϕξφ

µξϕ

µεε

µµ

ϕµ

ϕϕµ

ϕ

ξφεξφξξφεξφξξξ

ααα

ααααα

αααα

αα

ααα

αα

ααα

ααααα

αα

αααααα

α ,','exp

,','exp,

0,,

;

2 ; approx. adiabatic :

22

,2

, ; ,2

,

; ,

)(

)(

2)(

'

22

'

2'

222

''

2'

2

''

22'''

r

hh

r

h

rr

hrrr

rrrrrrr

hhh

rrhrrrrrhrrr

rr

rr

平面波

内部波動関数

(＊)

( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )[ ]( ) ( )

( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )[ ] ( ) DiskBlack : 1

:Elastic

,12

functionshift Phase : ,,1,

function Profile : ,exp,

,1exp2

10 0

0 '02'

'2

3'

θθ

θ

ξφξξφπ

ξξχ

ξχξ

ξφξξφπ

αααα

ξααα

αα

α

ξααα

αα

RkJiRbqbJdbbikf

bqbJdbbi

vT

zbVdzv

b

bib

bbqibdi

vT

→Γ−=

Γ−=

−=

=Γ

Γ−⋅=

∫

∫

∫

∫

∞

∞

∞

∞−

h

v

h

r

rr

rrrh弾性・非弾性散乱の Eikonal近似 (Glauber 模型)

•相互作用の無限次のべきを含んでいる•核子ー核子散乱の積み重ねでも記述が可能•分解反応へも応用される軸対称相互作用なら

Profile function の2次元フーリエ変換 (普通のベッセル関数)

弾性散乱の Eikonal近似(例) (Profile function)

0.359fm 39.6

MeV 240

amu 68644

1

==

=

⋅=

β

µ

-in

k

T

fm65.0fm 5

MeV 40MeV 100

0

0

====

aR

WV

虚ポテンシャルによる吸収効果実ポテンシャルによる位相の変化

弾性散乱の Eikonal近似(例) (Glauber 模型)

Black: EikonalBlue : Exact

(Exact) mb 1431 (Eikonal), mb 1359(Exact) mb 1431 (Eikonal), mb 1491(Exact) mb 2861 (Eikonal), mb 2849

===

R

el

tot

σσσ

0.359fm 39.6

MeV 240

amu 68644

1

==

=

⋅=

β

µ

-in

k

T

fm65.0fm 5

MeV 40MeV 100

0

0

====

aR

WV

θ(deg)

弾性散乱が光学ポテンシャルで記述できるなら

( ) ( )Lrr

Lrr

,,, , ,,, )()(ββββαααα ξξ rkrk −+ ΨΨ の近似として

• 弾性散乱チャネルの波動関数、散乱振幅はポテンシャル問題を解けばよい。

• a+A → b+B 反応を記述するΨの主要成分が弾性散乱だとすると、Ψの近似として、ポテンシャル問題の解を用いればよさそう。

• Ψを、(平面波＋球面波)ではなく、(弾性散乱による散乱波)+ (球面波)と書き直す。 (弾性散乱による散乱波)を、歪曲波と呼ぶ。

• DWBAの計算コードなどでは、歪曲波を多重極展開して求めるが、エネルギーの高い反応では、部分波の角運動量が大きくなり、見通しがよくない。kb~(l+1/2)

• 以後、Eikonal近似で得られた波動関数を用いた記述を試みる。角運動量表示による厳密なものは教科書(Satchler, 河合・吉田など)を参照のこと

歪曲波（Eikonal 近似）

0.359MeV/c 39.6MeV 240

amu 68644

===

⋅=

β

µ

kTin

fm65.0fm 5

MeV 40MeV 100

0

0

====

aR

WV

( ) ( )[ ]aRriWVrV

/exp100

−++

−=

)(+αχ ( ) )(+

αχrV

ρ(fm)

ｚ(fm

)

ρ(fm)

ｚ(fm

)

歪曲波を用いた表式 相互作用の繰り込み（光学ポテンシャル）

( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )rUiUTE

rkr

rUiUTE

rkr

VUHVHVThhH

EH

Aa

rrrr

rrrr

)()(

)()(

)()(

1,

1,

ˆ

−−

++

++

−+−+=

++−+=

++=+=+++=

Ψ=Ψ

αααα

ααα

αααα

ααα

ααααααα

αα

χη

ϕχ

χη

ϕχ 外向き歪曲波

内向き歪曲波

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )FormPrior :

,,ˆ,,,

FormPost :

,,,,ˆ,,

)()(

)()(

ααααααββββ

ααααβββββββαβα

ξφχξξ

ξξξφχ

α

β

rkrVrk

rkrVrkkkT

rrrL

rr

Lrrrrrrr

+−

+−

Ψ=

Ψ=

正確な表式

歪曲波ボルン近似(DWBA)

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ...,,,,

...,,,,)()(

)()(

+=Ψ

+=Ψ−−

++

βββββββββ

ααααααααα

ξφχξ

ξφχξ

rkrk

rkrkrr

Lrr

rrL

rr

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )( ) ( )( )( ) ( ) ( ) ( ) Factor Form : ,,ˆ,

)or ( ,,,

FormPrior :

,,ˆ,

FormPost :

,,ˆ,,

)()(

)()(

)()(

αβξαααββαγβββαγ

βα

αααβαγ

βαβββ

ααααααααβββββ

αααααβββββββββαβα

ξφξξφ

βαγχχ

ξφχξξφχ

ξφχξξφχ

rrVrrF

rkrrFrk

rkrVrk

rkrVrkkkT

rrrr

rrrrrr

rrrrr

rrrrrrr

=

=≡

=

≈

+−

+−

+−

歪曲波と形状因子を計算すればよい

歪曲波をつくる光学ポテンシャル

現象論的ポテンシャル (B-G, CH89, etc.)Folding 模型 (JLM, etc.)

Alpha particle at 140-400 MeV: U ~ 130 – 60 MeV, W ~ 25 – 40 MeVProton at 50-200 MeV : U ~ 50 – a few MeV, W ~ 10 – 20 MeV (see JLM)

非弾性散乱の形状因子

( ) ( ) ( )( ) ( )( )( ) ( ) ( ) ( )

ξαγαγαα

ααγαααααααα

ξφξξφ

χχ

,ˆ

,,,

''

)(''

)('''

rVrF

rkrFrkkkTrr

rrrrrrr

=

= +−

相対座標、内部座標、相互作用演算子が共通

巨視的模型

( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( )⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛Ω+=Ω=

−=

≈

∑m

mmYRRR

RrURrUrV

RrURrU

lll

rrr

rr

*0

0

'

1

,,,ˆ ,,

α

ξ ααγ

αα

非弾性散乱（振動模型の形状因子）

表面振動

１フォノン励起の形状因子

( ) ( ) ( )

( ) ( )

mm

mm

mmm

mmm

RR

aa

Ydr

RrdUR

YdR

RrdURrV

−+

=

−++

=

Ω−=

Ω=

∑

∑

,

*00

*0

)(12

1

,

,,ˆ0

llll

lll

lll

l

r

βα

α

αξγ

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )Ω⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+=

Ω+

=

=

−

=

*1

0

0**

*0**'

0

'

0

,12

|

,12

|

mRR

AAAATas

mRR

AAAA

YdR

RrdURrRMImMIrF

YdR

RrdURMImMIrF

l

l

l

ll

ll

r

ll

r

β

β

αα

αα

T行列は、βR に比例する: 断面積の大きさ⇔(βR)2

非弾性散乱（回転模型の形状因子）

軸対称変形

( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )','41,ˆ

',ˆ,

'1'

00

*00

*000

ΩΩ=

Ω=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛Ω+=Ω=

∫

∑

∑

ll

lll

r

r

YRrUdrV

YrVRrU

YRRR

πα

α

α

λ

λ

λλλ

W-S 形状因子のメモ(前回配布）を参照

偶遇核回転励起（0 -> I）の形状因子

( ) ( ) ( )Ω+

= *0

2

' ,ˆ12

8mII YrV

IrF λαα απr

奇核などK量子数をもつ場合

( ) ( ) ( ) ( )Ω+

= *0

2

' ,ˆ12

8'|0 mYrVKIKKrF lll

lr

λαα απ

非弾性散乱（微視的アプローチ）

遷移密度からスタート

( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )( ) ( )∑∫∏

∫

∫ ∑∫∏

∑∫

∑

ΨΨ−=

=

ΨΨ−=

Ψ−Ψ=

ΨΨ=

ΨΨ=

+

+

→

iabi

jjtr

tr

iabi

jj

iaib

iAaiAb

AaAbba

rrrdr

rrfrd

rrrdrfrd

rrrfrd

rrrrfrrr

rrrFrrrM

rrr

rr

rrr

rrr

rL

rrrrL

rr

rL

rrrL

rr

33

3

333

33

2121

2121

,,,,,,

,,,,,,

δρ

ρ

δ

δ

非弾性散乱（微視的アプローチ）

Transition DensityTransition Potential=形状因子 F

Transition density に対する Collective model

Tassie model

Compression mode

非弾性散乱（運動量表示）

( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( ) ( )qVqqDqd

rkrFrkkkT

aNtrrrr

rrrrrrr

~~

,,,3

)(''

)('''

∫=

= +−

ρ

χχ ααγαααααααα

相互作用に密度依存がない Folding 模型のフーリエ変換

( ) ( ) ( )'''3' rrVrrdrF aNtr

rrrr−= ∫ ραα

( ) ( ) ( )qVqqF aNtrrrr ~~~

' ραα = → ｔρ近似

歪曲波のフーリエ変換

( ) ( ) ( )( ) limit wavePlane :

,,*

'3

)('

)('

3

qkk

rkrkerdqD rqi

rrr

rrrrr rr

−−→

= ∫ +−⋅−

αα

αααα

δ

χχ

非弾性散乱（歪曲波の効果）

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−=

∫

∫

∞−

−

∞−

+

' ','exp,,

','exp,,

''''

''')(

'

)(

α

α

αααα

αααα

αααα

αααα

ϕχ

ϕχ

z

z

zbUdzvirkrk

zbUdzvirkrk

r

h

rrrr

r

h

rrrrEikonal 近似による歪曲波で D(q) を評価してみよう

( ) ( ) ( )[ ]( )

( )( )[ ]( )

( ) ( )[ ]( )

( )( )[ ]ααα

ααα

αααα

αααααα

αα

ππ

πχχ

brkkibrkki

zbUdzvirkkirkrk

vv

Γ−−⋅−

=Γ⋅−

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

⋅−≈

≈

∫∞

∞−

+−

112

exp2

exp

','exp2

exp,,*

scattering forward & if

3'

3'

3')(

')(

'

'

rrrrrr

r

h

rrrrrrr

zα// kαbα

bα’

zα’// kα’

(b,z)

z によらない！

ポテンシャルの通過距離はあまりかわらない

非弾性散乱（歪曲波の効果）

Eikonal 近似による歪曲波で D(q) を評価してみよう

( ) ( )( )( )

( )( )( ) ( )( )

( )( )( )( )

( )( ) ( )( )bbqqJbdbqq

qq

bbqkkJbdbqkk

qkkqD

Γ−−−

−

−=

Γ−−−−−

−

−−≈

⊥

⊥

∫

∫

12

12

002//0

03

'02//'

'3

rrrr

rr

rrrrrr

rrrv

πδ

δπ

δ

δ

αααα

αα

Distortion の効果 (q=q0 にピーク)～ kα’ を z 軸とした弾性散乱の散乱振幅

非弾性散乱（運動量表示）

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )[ ]( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )( )

( )( )( )

( )( ) ( )( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡Γ−−−−

×−≈⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+

×−∝

=

−−≈

=

⊥⊥

=

∫

∫

bbqqJbdbqq

qqqD

qRjqRRaqRjqR

RaqRj

qaqYq

qYqGq

qVqV

qVqqDqdkkT

mtr

mjmtr

aN

aNtr

12

1

44

expˆ~ˆ~~

n)interactio of range :( exp~

~~ ,

00202

//0

02

4

1

2

2

2*2

*

22/3

3

3''

rrrr

rrv

r

r

r

rrrrr

ll

ll

πδ

δ

ρ

ρ

λλπ

λ

ραααα

W-S density の場合

非弾性散乱（運動量表示）

( ) ( ) ( )( )

( )( ) ( )( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( ) ( ) ( )( )'''

'''

''''

''','

','''

0

03

00

3'

000

03

'

rgrr

rrVrrd

rrVrgrrdrF

rrVrgrrrV

rrrVrrdrF

trtr

tr

tr

aN

aNtr

aN

aN

aN

rrr

rrr

rrrrr

rrrrrr

rrrrr

ρρρ

ρ

ρρ

ρρ

ρρ

αα

αα

=

−≡

−=

−=−

−=

∫∫

∫相互作用に密度依存がある Folding 模型の場合

通常の密度依存は Factorize されている

( ) ( ) ( )qVqqFaNtrrrr 0

'~~~ ραα =

と、密度依存を遷移密度に繰り込めば、(Z. Phys. A225 (1984) 316)

高運動量成分が削られる

弾性・非弾性散乱から何がわかるか

Analysis of Alpha inelastic excitation

Gnd. State density (ρ0(r))

WF’s of gnd. and exc. states (φ0(r), φ(r))

transition density (ρtr(r))

Microscopic

Macroscopic

Distorting pot. (V0(r)) Transition pot. (Vtr(r))

Folding with effective interaction veff

Macroscopic

BM; Tassie

BM

Experimental DataIntegrated C.S., Ang. Distr. Ang. Cor.

Jπ , δ=βR , …

Elastic Scat. DataGlobal Systematics

DWBAO.M. analysis

Transition MatrixElement

α, β, δ

β, δ

δ

sum

rule

弾性・非弾性散乱から何がわかるか

• 弾性散乱の角度分布～Profile function の2次元 Fourier 変換ポテンシャルの大きさ、表面の厚さ、引力の強さ、吸収の強さ。

• 角度分布の形は、移行角運動量（~遷移密度の Fourier 変換）で決まる。(cf. PWBA) 歪曲波の影響

qy

qx

qy

0 q0=kθ

D(q)

qx

0

F(q)

jl(qR) の振動パターン弾性散乱の角度分布の拡がり

非弾性散乱から何がわかるか(変形長)

• 断面積の絶対値は、形状因子の大きさ～遷移密度の大きさで決まる。巨視的模型では、βR （変形長）の大きさ。

( ) ( ) ( ) ( )Ω+

==

*0**'

0

,12

| mRR

AAAA YdR

RrdURMImMIrF ll

ll

r βαα

• 半径ｃの球形プローブで、半径ｒ、変形度βの原子核を見たときの見かけの変形度はβ’となるが、変形長は同じ

( ))('

2const.

2const.'

2const.const.

cRRcR

bacba

baRba

baba

+=+

−×=

++−

×=

−×=

+−

×=

ββ

β

β

ab

c

非弾性散乱から何がわかるか(モーメント)• (folding 模型のセンスで)ポテンシャルの形状を、プローブの大きさ(相互作用のレンジ)をunfold すれば、原子核の形状にやきなおせる。

( ) ( ) ( )[ ] ( ) [ ] [ ] f

ng

nnF

n rrrFrrdr

rfrrgrdrF

+=≡

−=

∫∫

r

rrrr

3

3 '''

• Gaussian のようにF, g, f が x, y, z の関数に factorize でき、g が球形であれば、

( ) ( ) ( )[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ]( )[ ] ( )[ ] fm

nFm

n

fn

gn

Fn

fn

gn

Fn

fn

gn

Fn

rYrrYr

zzz

yyyxxx

rfrrgrdrF

ˆˆ

;

'''3

ll

ll

rrrr

++ =

+=

+=+=

−= ∫

c.f. 参考資料（変形調和振動子波動関数）

非弾性散乱から何がわかるか(換算遷移確率)

( )[ ] ( )[ ] fmn

Fmn rYrrYr ˆˆ

ll

ll ++ =

が成り立てば、換算遷移確率は、ポテンシャルのrl+n Ylm期待値であらわすことができる

( )⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+≈

2

0

20220

2 143ˆ

RaRrYr

WS

πβπ

c.f. 参考資料（W-S に関するメモ）

• あるプローブで見たときの換算遷移確率とみなせる

• (注意) 第２項は必ずしも小さくない。通常の原子核では、a~0.65 fm なので、半径が 5 fm だとして、4 % くらい。軽い核で半径が 3 fm だとすると、45 % にも及ぶ。まして、中性子ハロー核のように a が実効的に大きければ、決して無視できる量ではない！

非弾性散乱から何がわかるか（核内陽子・中性子）

• プローブと核内陽子、プローブと核内中性子の相互作用の強さが異なる場合、形状因子を陽子部分と中性子部分にわけて考える

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )'''''' 33 rrrVrdrrrVrd

rFrFrFn

nnp

pp

np

trtr

rrrrrr

rrr

ρρ ∫∫ −+−=

+=

• 相互作用の形状および遷移強度の形状が同じで、その強度のみが異なる場合は、

( ) ( ) ( ) ( )'''3 rrrfrdMbMbrF trnnpprrrr ρ∫ −+=

( )NbZbMbMb

MRrYrnp

nnppeffpot +

+≈≈≈ 2

02202

43ˆ βπ

Bernstein’s Prescription

非弾性散乱から何がわかるか（確からしさ）

• いろいろな仮定の正当性をチェック

•特に、Exotic な現象を導くとき、用いた仮定は正当か？

•核内陽子と核内中性子の違いを導くときに、それらが同じこ

とを前提にした仮定を用いていないか？

• 基本的な量を計算する。

•波数(運動量)、移行運動量の大きさ、核およびポテンシャル

の半径、平均自由行程 etc.•Profile function の計算は Excel でもできる。

•Fourier 変換はちょっと面倒だけれど…• 求めたい物理量の精度はどれくらいか？

•10-20%の精度で求めるならあまりこだわらなくてもよい

•それをこえる精度の場合、Consistency 等の様々なチェック

が必要

• 計算コードが思った計算結果を出したか(後述)

非弾性散乱から何がわかるか(崩壊の異方性)• 非弾性散乱の結果、励起された原子核は整列している

( ) ( ) ( ) ( )

( )( ) ( ) ( )[ ]

( ) ( ) ( )qYrVqrjdrr

rkkirYrVrd

rkrVrkkkT

lTl

lT

lPWBAl

)

rrr

rrrrrrr

02

2

*0

33

''

21

'expˆ2

1

,,'',

∫

∫

=

⋅−=

ΦΦ≈

π

π

αααα

• PWBA ではｚ軸を移行運動量ベクトルの方向にとると、ｍ＝０の成分だけしかない

• 歪曲波の効果は、これをにじませるが、m=0 の成分が強いという性質は維持されている

• 超前方を除いて、移行運動量ベクトルは、散乱平面内でビーム軸とほぼ垂直なので、散乱粒子の散乱角度を積分しても、残留核の大きな整列が残る

c.f. 参考資料（みようみまねECIS使用法）

4He(12Be, 12Be γ) at 60 A MeVAngular distribution of γ-decay after (α,α’)

2.1 & 2.7 MeV States excited by (α, α’)

Alignments of 12Be* Anisotropic Angular Distribution of γ

Consistent with Prediction of DWBA calculation assuming 2+ & 1- excitation, resp.

Confirmation of 1-

assignment for 2.7 MeVstate

Spectroscopic Factor について

Spectroscopic Factor

( ) ( )

ztz

zz

TTmTTC

ITTjaITTISC

2211

2111222

12

2

2/1

12

=

+= +−

• Spectroscopic Factor は、配位空間における overlap で定義されている。

• 核子移行反応では、波動関数の運動量成分が、ある限定された領域に存

在する割合が求められる。

• 大きな運動量をもつ領域の場合、短距離相関のため、1核子＋芯を仮定

した、local な波動関数がよいとは限らない。

• ノックアウト反応の場合、運動量移行を制御できるので、基底状態にお

ける1粒子状態の占有率を求められる可能性がある。ただし、プローブ

によって、波動関数の座標空間における領域も制限される

b

( )( )

( ) ( )

( )( )

( ) ( )∫ ∫

∫ ∫

⋅−⋅

⋅−⋅

×+−=

×+−=

xAxAxbxb

xAxAxbxb

rkixABxA

rkixbaxb

BxAxA

cxAc

rkixABxA

rkixbaxb

axbxb

cxbc

rrdrrd

kV

rrdrrd

kV

rrrr

rrrr

rr

h

rr

h

e*e

221

e*e

221

33

222

3'

33

222

3'

ψψ

κµπ

φφ

ψψ

κµπ

φφ

Same value but different expressions

Binding energies of a and BB

xA

Ba

xb

a

xAxb kBAkkkk

abk

εµκε

µκ

βαβα

==

−=−=

2;

2

;

2222 hh

rrrrrr

a

Bx A

rα

rβ

rxA

rxb

Fourier Transforms of wave functions of nucleon (x) in a and B

Proton Transfer in Momentum Space

12Be(d,n) @ 50 A MeV

12Be(α,t)@ 50 A MeV

Ex=0Ex=40

Ex=0 Ex=40

12Be 12Be

dp13B*(10MeV)

n

p13B*(10MeV) α

qz (fm-1)qz (fm-1)10-1-2

0

1

2

t

10-1-2

0

1

2

q ⊥(f

m-1

)

q ⊥(f

m-1

)

13B* d 13B* α

ストリッピング反応

• 微分断面積は、２つの波動関数のFourier成分の積で書ける

• Fourier成分の運動量は、入射エネルギー、Q値、および散乱角度が

決まると一意的に決まる。

• エネルギーが数10MeV以上になると、これらの運動量は、大きく

なってしまう(1fm-1 程度かそれ以上)。→運動量ミスマッチ

• 入射粒子 a=b+x が (0s)n の場合、x の運動量分布は、0 を最大に、ほ

ぼ単調に減少する。

• 残留核 B=A+x の波動関数は、主量子数により node の数が決まるが、

有限の運動量の領域では、l によらず、運動量が大きくなるにつれ、

ほぼ単調に減少する。角度分布は l によらない。

• 大運動量成分は、短距離相関と関連し、相対距離だけの関数とは限

らない。

Spectroscopic Factor

( ) ( )

ztz

zz

TTmTTC

ITTjaITTISC

2211

2111222

12

2

2/1

12

=

+= +−

• Spectroscopic Factor は、配位空間における overlap で定義されている。

•始状態 / 終状態が、芯＋１or２粒子であるとは限らない。

特に Pauli blocking

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]( ) ( ) ( )[ ]

( ) ( )[ ]221214

262414

24262412

''BeBe

coreHeBe

coreHeBe

sdp

sdpp

sdpppp

νβνα

ννπ

ννπβνπα

+⊗≠

⊗−=

+⊗−=

なら、

である。14Be 中には、12Beの基底状態以外の成分がある

(例)中性子ハローの軌道

殻模型計算などで、始状態と終状態の配位とその overlap を計算する

ことが必要！小さな配位成分が coherent に効く場合がある(集団性)

Spectroscopic Factor とANC (asymptotic normalization constant)

• 反応では、座標空間および運動量空間のある領域の１粒子波動関

数の大きさが求まる。

•低エネルギー核子移行反応や重イオンを用いたノックアウト

反応では、運動量が小さく、外側の領域の波動関数をみる

(ANC)。•電子や高エネルギー核子によるノックアウト反応では、核の

領域にわたる座標空間領域で、運動量の関数として波動関数を

見る。(Spectroscopic Factor)•中間エネルギー核子移行反応では、波動関数のうち、比較的

大きな運動量成分をみる。

• 何らかの理論モデルと比較する場合、これらの特徴にあった理論

モデルを用いる必要がある

•HO殻模型計算は、Spectroscopic Factor を出せるが、ANCは

出せない。

Spectroscopic Factor、ANCと一粒子波動関数

Finite well と HO では、波動関数の振幅の核内/核外比が違う。

とくに loosely bound system で顕著

rR-εrR

-V0

-ε

波動関数の内と外 １粒子波動関数の運動量表示

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )( )

( ) ( )∫ Ψ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=Φ+

Ψ−=Ψ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+∇−

Ψ−=Ψ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+∇−

⋅ rrVerdkk

rrVr

rrrV

rki r

h

r

rrh

rrh

rr322/3

22

22

22

22

1

2

2

µπ

κ

εµ

εµ

( ) ( )( )

( )( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )kYkk

RkjkRjRkRkjkRjkRkkCk

kYRkjkRjRkRkjkRjkRRkk

kC

kYrkjkrjdrrkC

rrVerdkf

kfk

k

min

inininin

minininin

in

m

R

inin

rki

ˆ2

ˆ2

ˆ2

22

1

1

221

21

2

22

22

1122

22

0

222

322/3

22

lllll

lllll

lll

rr

r

r

h

r

rr

−−

++

=Φ

−−+

=

+=

Ψ=

+=Φ

++

++

⋅

∫

∫

κκ

π

κπ

πκ

µπ

κ

rR

-V0

-ε

( )εµ

−= 0

22

2Vkinh

DWBAコードを使うときの注意

DWBAコードを使うときの注意

• ポテンシャル

• Folding model にするか、Global potential にするか

• 大きさや深さ、表面の厚さはもっともらしいか？

• 形状因子

• 振動モデル、回転モデル、微視的モデルのどれを用いるか

• 核構造のどういう量を出そうとしているか？

• 求める observable• 微分断面積、偏極、整列…

• 手計算、電卓などで、基本的な物理量を計算

• 入射エネルギーと波数、速度、角度と移行運動量、入射角運動量

• 核半径とポテンシャル半径

• ポテンシャルや遷移密度の図くらいノートにはっておこう

• よく使っている人から入力データの例をもらい、マニュアルとつきあわ

せよう。

• そのときに、上記の基本的物理量がどれくらい違うかも確認しよう

DWBAコードを使うときの注意• 計算コードに入力するパラメータ

• 積分ステップと積分範囲

•積分ステップは、入射波数の逆数および表面の厚さより小さく

•重イオンの場合相当小さくしないといけない

•積分範囲(matching radius)は相互作用がなくなるところまで

•クーロン励起のときは、範囲を変えて結果の安定性をチェック

•ファイルから形状因子を読み込むときは、積分範囲まで定義す

る必要がある

• 計算する角運動量の範囲

•Matching radius × 入射波数

• 励起モデルの指定とそれに必要なパラメータ

•変形度か変形長か？

•核力励起だけか、クーロン励起も含めるか

• 出力内容の指定

•計算すべき Observable•計算途中、ポテンシャル、形状因子は１度は出力してチェック

•S行列もたまには出力してみよう

DWBAコードを使うときの注意

• 出力内容のチェック

• 基本的物理量は、思ったようになっているか

• Worning がでていないか

• 指定した励起モデルになっているか

• 入力パラメータを変化させて、そのふるまいを見ておこう

• 可能なら、他の計算コードで同じ結果がでるかチェック

• 可能なら、他の計算モデルで同様の結果がでるかチェック

•特に、クーロン励起の場合、Virtual Photon Theory とのクロ

スチェックが役立つ

DWBAコードの使用例

21800109005450

fm 800400200

fm 0186.0MeV 9.57,0

MeV 50,0fm 8.0

fm 9.8.11

fm 8.26

MeV 1148

max

1

1

=======∆

======

=

−

−

l

match

cm

RR

WVaR

k

E

η

Semi Classical

ECIS (point Coulomb)

Finete Coulomb+ Nuclear Pot.

Finete Coulomb