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2008 立教
天体核物理学 本林 透(理研仁科加速器研究センター) [email protected] 1 元素、原子、原子核
2 宇宙での核現象 3 核反応率とガモフのピーク 4 共鳴状態と連続状態 5 元素合成と星(宇宙)の進化 6 爆発的元素合成と不安定原子核 7 ビックバン元素合成、超新星爆発と r 過程、s 過程 8 RI ビームによる天体核反応研究 9 太陽ニュートリノ問題と 7Be(p,γ) 反応 10 クーロン分解法 11 ANC 法、「トロイの木馬」法 12 まとめ
http://rarfaxp.riken.go.jp/~motobaya/lectures/nuclastro/2008.html
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2008 立教 Thielemann (2004)
宇宙での核燃焼 nuclear burning in the universe
(主系列)星
ビッグバン
超新星 - おそらく
新星
超新星
X 線バースト
AGB(赤色巨星)
「爆発的」 - 単位時間あたりのエネルギー放出大 短時間の現象 太陽の燃焼:数十億年 <=> SN元素合成: 1秒 高温、高密度
不安定核
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Solar System Abundance
++ + 232Th (14.05Gy)
238U (4.47 Gy)
Actinide
P
STARS
COSMIC-RAYS
R-PROCESS ELEMENTS UNKNOWN SITES ?
AGB STARS R
R R
S(N=82)
S(N=50)
S(N=126)
R-process elements, SUPERNOVAE ?
Supernova-g Process ?
BIG-BANG Both PRIMARY PROCESS !
T. Kajino
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13N+p => 14O+γ β+ 13C
0.545
13 N+p
14 O0 0+
5.17 1-5.92 0+6.27 3-6.59 2+
E1 E0E3
E2
共鳴を経由する場合�
CNO サイクル�
14O Hot CNO
13C
14O
Ex A+n
A+1
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RI (Radioactive Isotope - 放射性同位元素)
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2008 立教
原子核の 発見の歴史
3,000
0
2000 1940
4,000
でも、10,000はまだまだ
RIBF
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アイソトープ製造�
自然�� 例)U-Th 系列 - Becqurel / Curie�� � ��1896 1898�
人工 - 核反応���穏やか �� 中性子捕獲�� 核分裂(n, 光、衝突)��� 重イオンの融合 �� 組み替え、交換反応���激しい�� スポレーション �� 入射核破砕�
RI ビーム生成�
再加速法���Louvain la Neuve ���TRIUMF, TRIAC, RIBF, ….���Munchen �“in-flight”���CNS, TRIAC, …���RIKEN, GSI, …..�“batch” 法 - long lived RI��� �c.f. 反陽子�
静止した原子核 � � � � �ビーム => 反応���質量、核モーメント(基底状態) � � ���核半径(断面積)���β-γ分光 � � � � ���インビーム分光�� � � � � ����(天体)核反応�
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2004 東大
http://www.houshasen.tsuruga.fukui.jp/c0480982.html
226Ra 1600 y
228U 4.5x109 y ~ 太陽年齢
206Pb stable
Z
N-Z
ウラン系列
超新星爆発?
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核の生成 静的性質 質量、寿命、崩壊様式
核反応 直接測定 間接測定 共鳴の性質 断面積決定
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RI ビームの生成
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大強度一次ビーム
核反応 normal kinematics => RI at rest spallation, photo-fission, n-fission, … (取り出し)
イオン化 表面電離、ECR、 (多価化)
質量分析
再加速 liniac, cyclotron (Louvain la Neuve), ….
再加速法�
ISOL (Isotope Separator Online)
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TRIAC Tokai Radioactive Ion Accelerator Complex
E = 1.1MeV/u (2004~) E ≥ 5MeV/u (2006~)
In-flight 法�
再加速法�
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Low-Energy In-Flight Separation of Radioactive Beams @ CNS
• Production of Radioactive Ions Low-Energy (E < 10 MeV/nucleon) Heavy-Ion Primary Beams (A<40) + Reactions in inverse-kinematics e.g. p(14N,14O)n
( ISOL)
K=70 AVF Cyclotron
14-GHz ECR Ion Source
CRIB AVF
ECR
< 6 MeV/nucleon, not very far from stability
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入射核破砕�
target
projectile
θ ~ 0 v ~ vbeam
wide range of (unstable) nuclei regardless of chemical properties
E > 50 MeV/nucleon
by Ong Hooi Jin
重イオンビーム
入射核破砕� (核分裂)
質量分析�
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May 2008 Dubna
RILAC
AVF
RRC
fRC
IRC
SRC
SHE (e.g. Z=113)
135 MeV/nucleon for light nuclei (1986-)
~5 MeV/nucleon
pol. d beams
RI beams (<5 AMeV) - CRIB v~0.1c CNS 1st beam in Dec. 2006
U beam in Mar. 2007 1st new isotope (125Pd): May 2007
v~0.6c
Fast RI beams - RIPS
v~0.3c
RIKEN RI-Beam Factory (RIBF)
RIBF new facility 350 MeV/nucleon up to U
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production target
primary beam(cyclotron)
D1
D2
F1
F2 target
plastic scintillatorhodoscopes
RIPS(RIken Projectile fragment Separator)
radioactive beam
56 NaI(Tl)
8B beam
p
7Be
PPAC
50 - 90 MeV/nucleon
DALI
HODO
Particle and g spectroscopy with RIPS DALI
(208Pb)
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RI ビームによる実験の手法
-- 逆運動学�
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direct reaction => nuclear structure information
target = object
θ
E PID
beam = probe
examples: (p,p’), (d,p), … reaction channel: PID of ejectile excited level: E (θ)
cross section => deformation single particle strength angular distribution => angular momentum
direct (first-order) mechanism
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58Ni(d,p)59Ni E =15 MeV (1962)
distance along the focal plane (momentum)
l - dependence of angular distribution
4
0 1
2 3
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Advantages / disadvantages of fast RI beams
poor (intensity) 0.1 - 105 pps
dirty (emittance) 2cm φ, 1~2 deg. Spread
high energy
efficient setups good reactions (large σ)
γ-ray measurement invariant mass beam measurement
thick targets forward focusing
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inverse kinematics / methods of spectroscopy RI (beam) + target (probe) -----> projectile-like products γ decays (bound) particle decays (unbound) ------> target-like products recoil particles target-γ
reaction-channel ID: PID of the projectile-like product state ID: γ ray (Doppler-shifted) invariant mass
target = probe
(θ)
E PID
beam = object
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Erel <= pp, p7Be, θp-Be
ΔErel : Independent of ΔEin
ΔErel ≈ 2 A1A2
A1 + A2
T0Erel Δχ
Δχ = Δθ, Δv / vΔErel=200 keV
p+X, T0=100 AMeV, Erel=1 MeV,
Δθ=0.5 deg. Δv=1%
kinematics