2015年度P4前期実験
47市川 真也
高橋 祐羽

越川 亜美
武田 朋也
渡邊 憲

「 He(α, n) Be反応の微分断面積測定のための予備実験」

四方 悠貴
宮脇 瑛介

今回の実験の動機
7

最終目標・・・宇宙論における Li問題の解決

47

He(α, n) Be反応の微分断面積測定
そのための予備実験

理論的背景𝟕𝐋𝐢問題とは？

宇宙初期において、7Ｌｉ存在量のビッグバン元素合成(BBN)における理論予測値と金属欠乏ハロ星による観測値が一致しない問題

理論的背景𝟕𝐋𝐢問題とは？

宇宙初期において、7Ｌｉ存在量のビッグバン元素合成(BBN)における理論予測値と金属欠乏ハロ星による観測値が一致しない問題

その違いは？

BBN予測値:
7水素(H)に対する7Ｌｉの存在量比

Ｌｉ/H~5.24× 10−10約４倍多い！

観測値
7Ｌｉ/H~1.23× 10−10理論的背景青線と黄色の縦線との交点が理論予測値
緑線が観測値7Ｌｉのみ大きなずれ!! PHYSICAL REVIEW
D87,123530 (2013) 参照

𝟕解決策～ 𝐁𝐞からのアプローチ
7Beの主な崩壊チャンネル
分岐比
777Be(n,p) Li

4Be(n,α) He・・・

97%・・・

2.5%

𝟕解決策～ 𝐁𝐞からのアプローチ
7Beの主な崩壊チャンネル
分岐比
77Be(n,p) Li・・・

97%

この反応はよく研究されている。
修正の余地なし

74Be(n,α) He・・・

2.5%

低エネルギー(後述)での研究が不十分上方修正されるかも！？

74Be(n,α) He反応の分岐比が上方修正

77Be(n,p) Liの分岐比の減少

解決？
7Liの理論的予測値の減少

本実験の目標
低エネルギーにおける74Be(n,α) He反応の断面積を測りたい。

本実験の目標
低エネルギーにおける74Be(n,α) He反応の断面積を測りたい。

but7Beとnは不安定核なので標的に出来ない。

逆反応の47He(α,n) Beの断面積を測定‼

ビームのエネルギー範囲

Elab =38.8MeVElab =38MeV

低エネルギーでのデータが欲しいので、ビームエネルギーは閾値近傍の38MeV ～ 39.4MeV で測定。

ビームのエネルギー範囲●:(α,p)反応

PhysRevC.16.1712(1977)参照▲:(α,n)反応

αビームエネルギーが39.4MeV以下のデータがない！！

中性子のエネルギー範囲
中性子エネルギー(MeV)

各ビームエネルギーに対して観測出来る
中性子の角度(横軸)とエネルギー(縦軸)分布散乱角(Lab系)(Lab系)

中性子のエネルギー範囲
中性子エネルギー(MeV)

各ビームエネルギーに対して観測出来る中性子の角度(横軸)とエネルギー(縦軸)分布散乱角(Lab系)(Lab系)

本実験では約1～6MeVの中性子を測りたい

本実験の目標
4Heガス

αビーム

中性子膜
4

Heガスの封入された容器に膜部分からαビームを入射し、出てくる中性子を検出する。膜の候補
Ta
HavarAramid

バックグラウンドの少ない膜を選びたい！！

準備実験の目標①
それぞれの膜にαビームを入射し断面積を測定

本実験可能かどうかの判断(バックグラウンドが多すぎないかの確認)

どの膜が一番適しているか確定

準備実験の目標②ビームエネルギーの測定

本実験は400keVごとの測定

本実験可能かどうかの判断(目標誤差は50keVの精度)

実験概要
薄膜

αビーム
中性子

• 測定したいもの薄膜による中性子の断面積• 知りたいこと①最も中性子生成量が小さい膜はどれか②その膜は本実験で使えるのか
47

He (α , n) Be の推測値と比較③ビームエネルギーの誤差精度

実験設備
大阪大学・核物理研究センター(RCNP)・中性子実験室

ファラデーカップ

TargetBeam Line

コリメータ

散乱角
0°～20°

10cm

検出器
13m

実験設備
大阪大学・核物理研究センター(RCNP)・中性子実験室

ファラデーカップ

TargetBeam Line

コリメータ

散乱角
0°～20°

10cm

検出器13m

実験設備
大阪大学・核物理研究センター(RCNP)・中性子実験室

ファラデーカップ

TargetBeam Line

コリメータ

散乱角0°～20°10cm

検出器
13m

実験設備
• 散乱角
運動学で計算すると 0～30°程度に散乱される
0°から20°まで5°刻みで測定する

05101520

𝜃lab (deg)2530Target• Aramid (9.9 μm)
アミド結合のポリマー• Havar (2.4 μm)
Coを主成分とする合金• Ta (4.6 μm)
単体の金属

Target• Aramid (9.9 μm)

小さい

アミド結合のポリマー• Havar (2.4 μm)
Coを主成分とする合金

質量数• Ta (4.6 μm)
単体の金属

大きい

Target• Aramid (9.9 μm)

小さい

アミド結合のポリマー
散乱数が少ない• Havar (2.4 μm)
Coを主成分とする合金
薄い膜を作ることができる

質量数• Ta (4.6 μm)
単体の金属等方的な散乱大きい

Target• Aramid (9.9 μm)

小さい

アミド結合のポリマー
散乱数が少ない• Havar (2.4 μm)
Coを主成分とする合金
薄い膜を作ることができる

質量数• Ta (4.6 μm)
単体の金属
等方的な散乱

•12C

αビームのエネルギーを正確に決定する大きい

中性子検出器
液体シンチレータ (NE213)

光電子増倍管200 mm1994年2月 購入
50 mm

setup - 回路図

回路図

setup - 回路図◎

実験のキーワード

・PSD (Pulse Shape Discrimination)
中性子とγ線の判別法

・TOF (Time of Flight)
飛行時間（エネルギーの計算に利用）setup - 回路図◎

実験のキーワード

・PSD (Pulse Shape Discrimination)
中性子とγ線の判別法

・TOF (Time of Flight)
飛行時間（エネルギーの計算に利用）setup - 回路図 - PSD◎ PSD ( Pulse Shape Discrimination )・波形の違いによって中性子とγ線を分別する方法

波形の概念図0V

neutronγ-raysetup - 回路図 - PSD◎ PSD ( Pulse Shape Discrimination )・波形の違いによって中性子とγ線を分別する方法

波形の概念図0V

neutronγ-raysetup - 回路図 - PSD◎ 全体の回路図
液体シンチレータ

splittersplitter

Variable Cable Delay

Variable Cable Delay

All

Tail
QDC

Gate
CFD

GG

VETO

F.F.

F.F.

F.F.
Trigger
LOGIC UNIT

TDC

START

LOGIC UNIT

Stop

VETO

Discrimination

RFGG (lutch)

OUT

STOPOPRsetup - 回路図 - PSD◎ 回路図 (PSD)液体シンチレータ

splitter

Variable Cable
Delay

All部分

splitter

Variable Cable
Delay

Tail部分CFD

積分区間（GATE)

GG

GATEへ

QDC

setup - 回路図 - PSD◎ 回路図 (PSD)
液体シンチレータ

splitter

Variable Cable
Delay

All部分

splitter

Variable Cable
Delay

Tail部分

CFD

テール

GG

GATEへ

QDC

setup - 回路図 - PSD◎ 回路図 (PSD)
液体シンチレータ

splitter

Variable Cable
Delay

All部分

splitter

Variable Cable
Delay

Tail部分

CFD

全体

GG

GATEへ

QDC

setup - 回路図 - PSD◎ 回路図 (PSD)
液体シンチレータ

splitter

Variable Cable
Delay

All部分

splitter

Variable Cable
Delay

Tail部分

CFD

GG

QDC

GATEへ

テール部分

neutron全体γ-ray
全体部分

setup - 回路図 - PSD◎ 回路図 (PSD)

液体シンチレータ

splitter

Variable Cable
Delay

splitter

Variable Cable
Delay

CFD
GG

VETO回路QDC

setup - 回路図 - PSD◎ 回路図 (VETO)
液体シンチレータ

splittersplitter

Variable Cable Delay

Variable Cable Delay

All

Tail
QDC

Gate
CFD

GG

VETO

F.F.

F.F.

F.F.
Trigger
LOGIC UNIT

TDC

START

LOGIC UNIT

Stop

VETO

DiscriminationRF

GG (lutch)

OUT

STOP

OPR

setup - 回路図◎

実験のキーワード

・PSD (Pulse Shape Discrimination)
中性子とγ線の判別法

・TOF (Time of Flight)
飛行時間（エネルギーの計算に利用）setup - 回路図 - TOF◎TDCモジュール
TDC・・・時間差を測定するモジュール。
時間差TRIGGER
・TRIGGER・STOP

STOP・・・・・・

液シンからの信号

RF （ ビームと同期した信号 ）setup - 回路図 - TOF◎ TDC histogram （ γ線 )γ-raysetup - 回路図 - TOF◎ TDC histogram （ 中性子 )γ-raysetup - 回路図 - TOF◎ TDC histogram （ 中性子 )setup - 回路図 - TOF◎ TDC histogram （ 中性子 )setup - 回路図 - TOF◎ TDC histogram （ 中性子 )setup - 回路図 - TOF◎ TDC histogram （ 中性子 )TDCの値の差＝ γ線との時間差

setup - 回路図 - TOF◎ TDC histogram （ 中性子 )中性子のTOF = γ線のTOF + 時間差

TDCの値の差＝ γ線との時間差

setup - 回路図 - PSD◎ 全体の回路図
液体シンチレータ

splittersplitter

Variable Cable Delay

Variable Cable Delay

All

Tail
QDC

Gate
CFD

GG

VETO

F.F.

F.F.

F.F.
Trigger
LOGIC UNIT

TDC

START

LOGIC UNIT

Stop

VETO

DiscriminationRF

GG (lutch)

OUT

STOP

OPR

setup - 回路図 - TOF◎ 回路図 ( TOF )液体シンチレータ

CFD
GG

Trigger

F.F.
LOGIC UNIT

OUT

TDC
Stop

LOGIC UNIT
Discrimination

RF

VETO

setup - 回路図 - TOF◎ 回路図 ( TOF )QDC用のVETO
液体シンチレータ

CFD
GG

Trigger

F.F.
LOGIC UNIT

OUT

TDC
Stop

LOGIC UNIT
Discrimination

RF

VETO

TDC用のVETO

ビームエネルギーの決定※ C(α,ｎ) O反応のデータを用いてエネルギーの決定を行う
1215

ビームエネルギーの決定
・ γ線のTDCの決定ビームエネルギーの決定
・ γ線のTDCの決定
・ γ線のTDCとNeutronのTDCから
Neutronのエネルギー決定ビームエネルギーの決定
・ γ線のTDCの決定
・ γ線のTDCとNeutronのTDCからNeutronのエネルギー決定・Neutronのエネルギーから Oの
15

励起エネルギーとビームエネルギーの決定ビームエネルギーの決定
・ γ線のTDCの決定
・ γ線のTDCとNeutronのTDCからNeutronのエネルギー決定・Neutronのエネルギーから Oの
15

励起エネルギーとビームエネルギーの決定

γ線のTDCCount数

膜12C 0deg

Ch数γ線のTDCCount数γ線のchの値

3693.7
膜12C 0deg

Ch数ビームエネルギーの決定
・ γ線のTDCの決定
・ γ線のTDCとNeutronのTDCからNeutronのエネルギー決定・Neutronのエネルギーから Oの15励起エネルギーとビームエネルギーの決定

NeutronのTDC
Count数

膜12C 0deg

Ch数NeutronのTDC
Count数

先ほどのγ線のTDCとのch差からこことかそれぞれのピークでのエネルギーを出していく

こことか膜12C 0deg

Ch数NeutronのTDC
Count数
６７５４

ピーク １
Ch数
４２３３２2975.9 2860.2 2802.1
５2677.5 2609

６１７2543.1 2367.4
膜12C 0deg

Ch数Neutronのエネルギー
Count数

膜12C 0deg

Energy (MeV)Neutronのエネルギー
Count数

７６５４３２膜12C 0deg

１Energy (MeV)Neutronのエネルギー
Count数

７ピーク１２３６Energy(MeV)

27.27 21.42 19.17４５６７５４15.41 13.80 12.48 9.76３２

膜12C 0deg

１Energy (MeV)ビームエネルギーの決定
・ γ線のTDCの決定
・ γ線のTDCとNeutronのTDCから
Neutronのエネルギー決定・Neutronのエネルギーから Oの15励起エネルギーとビームエネルギーの決定

・ C(α,ｎ) O反応において、0°におけるneutronの121515エネルギーとOの励起エネルギー(Ex)が分かると

・ C(α,ｎ) O反応において、0°におけるneutronの121515エネルギーとOの励起エネルギー(Ex)が分かると・ 運動学より、αビームのエネルギー(Eα)も分かる

・ C(α,ｎ) O反応において、0°におけるneutronの121515エネルギーとOの励起エネルギー(Ex)が分かると・ 運動学より、αビームのエネルギー(Eα)も分かる

それぞれのピークに対応するExを決定したい！

Oの励起状態

15Count数？？

？？

？？
？？
？？
？？ 基底状態(g.s)

膜12C 0deg

Energy (MeV)Oの励起状態

15Count数？？

？？

・ 最初のピークは基底状態
・ それ以降のピークは基底状態のときのビームエネルギーと近くなるように、N(ational)N(uclear)D(ata)C(enter)のChart of Nucleidsのlist of levelsの値から選ぶ？？
？？
？？
？？ 基底状態(g.s)

膜12C 0deg

Energy (MeV)Oの励起状態

15

g.sにおける
Eα=39.31MeVCount数？？

？？

？？
？？
？？
？？ 基底状態(g.s)

膜12C 0deg

Energy (MeV)Oの励起状態

15Count数

g.sにおける
Eα=39.31MeV？？

NNDC Ref
EnEαEx
Ex(MeV) (MeV)(MeV) (MeV)

1

5.24

5.24

21.42 39.32

26.897.26

7.26

19.17 38.99
39.36

3

10.47 10.48 15.41 39.33

4

11.71 11.71 13.80 39.18

512.83 12.85 12.48 39.21

615.05 15.04 9.76

39.22？？

？？
？？
？？
？？ 基底状態(g.s)

膜12C 0deg

Energy (MeV)Oの励起状態

15

励起状態は右図の通り

Count数15.04※3つ目のExは正確には決定できなかった

12.85

11.71
10.48
6.89+7.27?

5.24
基底状態(g.s)
膜12C 0deg

Ch数Oの励起状態

15

励起状態は右図の通り

Count数15.04※3つ目のExは正確には決定できなかった

12.85

11.71
10.48

決定出来たものから誤差（※）を考慮してビームエネルギーを求めたところ、39.21MeVとなった

6.89+7.26

5.18
基底状態(g.s)
膜12C 0deg

Ch数ビームエネルギーの誤差
誤差の要因
・TDCのキャリブレーション(0.152ns)
・TDCの中性子ピークの読み取り誤差(~0.2ns)
・TDCのγ線ピークの読み取り誤差(0.02ns)
・標的とシンチレータの距離の誤差(5mm)・励起エネルギーの誤差(20keV)
判断材料がないため、適当に決める

ビームエネルギーの誤差
誤差の要因
・TDCのキャリブレーション(0.152ns)
・TDCの中性子ピークの読み取り誤差(~0.2ns)
・TDCのγ線ピークの読み取り誤差(0.02ns)
・標的とシンチレータの距離の誤差(5mm)・励起エネルギーの誤差(20keV)
判断材料がないため、適当に決める

各励起状態ごとに誤差を求めて重み付き平均をとり、(𝛘𝟐 /自由度)が１に近づくように励起エネルギーの誤差を決定するビームエネルギーの誤差
誤差の要因
・TDCのキャリブレーション(0.152ns)
・TDCの中性子ピークの読み取り誤差(~0.2ns)
・TDCのγ線ピークの読み取り誤差(0.02ns)
・標的とシンチレータの距離の誤差(5mm)・励起エネルギーの誤差(20keV)
判断材料がないため、適当に決める

𝐄𝛂 = 39.21 ± 0.021 MeV𝛘𝟐 /自由度 = 1.2759

各励起状態ごとに誤差を求めて重み付き平均をとり、(𝛘𝟐 /自由度)が１に近づくように励起エネルギーの誤差を決定する
ビームエネルギー (MeV)ビームエネルギーの決定
・ 決定出来たExを用いてビームエネルギーを出したところ、39.21（±0.021)MeVと決定できたビームエネルギーの決定
・ 決定出来たExを用いてビームエネルギーを出したところ、39.21（±0.021)MeVと決定できた・ ただし、これは Cの中心を通った時の12エネルギーであり、実際のビームエネルギーは39.33MeVとなった

微分断面積の求め方
2d σ(Y−BG)=× (補正係数)dΩdE Nb ×Nt ×ΔΩ×ΔE
Y:収量
BG:backgroundNb : α粒子の数
Nt : 単位面積当たりのTarget粒子の数 (mb−1 )ΔΩ:検出器の立体角 (sr)ΔE:bin幅 (MeV)

補正係数について
12

1.空気のattenuation( Cでtargetと検出器との距離を変えて測定)～1.04
2.live time(triggerの数と時間を測って計算)～1.01
3.検出効率(Phys. Lett. B 551 255 (2003) を使用)

Taのファラデーカップでの様子
膜との反応によってαビームが大きく広がる

0度

5度

縦方向に
Focus

ビーム量を増加

Taでの測定は時間の都合もあり、0度と5度で打ち切り

Taの微分断面積 [mb/sr/MeV]
0度

5度

Havarの微分断面積[mb/sr/MeV]

10度

0度

15度

5度

20度

Aramidの微分断面積
10度[mb/sr/MeV]

0度

15度

5度

20度

Aramidの15度について
加速器の2周期分

TDCヒストグラム・ビームを捨てきれなかった可能性大・低エネルギーのノイズが大きくなったAramidの15度について加速器の2周期分

TDCヒストグラム・ビームを捨てきれなかった可能性大・低エネルギーのノイズが大きくなった

次回の実験では、測定中にデータを確認することが重要！

Aramidの15度について漫画を読みながら寝ている
TDCヒストグラム・ビームを捨てきれなかった可能性大・低エネルギーのノイズが大きくなった

場合ではない！
加速器の2周期分

次回の実験では、測定中にデータを確認することが重要！

第２回 膜決定杯
膜
▲ Ta

オッズ
12.5

◎ Aramid○ Havar

1.65
3.34

Taに賭けて野球賭博の借金を返すぞ！

膜の比較
中性子の散乱粒子数

膜Ta

厚さ
4.6 μmHavar

2.4 μmAramid 9.9 μm

40nAで20分間 αビームを入射した場合の粒子数を比較

Aramidの圧勝！

4He(α, n)の微分断面積の予想
CM系での全断面積 (mb)PhysRevC.
16.1712.1977
参照

39.4MeV

39.4MeV

運動学から計算した反応が起こらなくなる点4He(α, n)の微分断面積の予想
CM系での全断面積 (mb)

38～39.4MeVの範囲を直線と仮定39.4MeV4He(α, n)の微分断面積の予想
CM系での全断面積 (mb)

38～39.4MeVの範囲を直線と仮定39.4MeV

CM系では角度依存性がないと仮定して微分断面積を計算する

lab系に変換してAramidと比較

4

Aramid ２枚と He (6cm) の比較(0deg)
中性子の散乱粒子数40nAで20分間αビームを入射した場合の粒子数を比較

39.4
39.0
38.6
38.2

4

Heのスペクトルを観測できる！

4

Aramid ２枚と He (6cm) の比較(0deg)
中性子の散乱粒子数
39.4
39.0
38.6
38.2

見ろ‼Aramidがゴミのようだ‼

まとめ
・今回比較した膜ではAramidが最も適切
44・Aramidと Heを比較すると、 Heの山を観測することができる

本実験可能！

setup - 回路図 - TDC - 補足

◎ RFとTDCスペクトル
TDCの値

RFRF

RF

時間差

どっちか分からない！
neutronγ-rayその他の角度
5deg

10deg

その他の角度
15deg

20deg