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63(p,n)反応によるβ 崩壊核 Znの(p,n)反応によるβ 崩壊核 Znの生成と+そのβ のヘリシティの測定

２００４年度Ｐ３β班
五十部隆・井上匡志・加藤道明・佐谷哲・佐藤晃邦

発表内容
実験動機
Bhabha散乱とパリティの破れの関係
パーマロイ標的について
実験装置
線源の特性測定
Bhabha散乱の測定
Asymmetry・helicity結果
タンデム加速器以外の手段
まとめ

実験動機
我々の生きる世界には普遍的な物理法則がある。
鏡の中にいる我々の鏡像達の物理法則には我々のそれとは一部違うところがあると言われている。
果たしてそれは正しいのだろうか。
我々は生来の好奇心に駆られてその現象の存在を確かめることを決意した。

パリティ変換とは→空間反転→反転
・座標 x・運動量 p →反転
・スピン s →そのまま
・角運動量 L＝r×p →そのまま
・ヘリシティ h∝p・s →反転パリティの破れとはパリティ変換を行うことによりとなる演算子について考える。

さて、パリティ対称性が成り立つならばが成立。

つまり、この式が成立しないならパリティは破れていると言える。

パリティの破れの検証実験（β崩壊）・偏極60Coから生じるβ線の角度分布（C.S.Wu）
・β線のhelicity測定等helicityとはで、定義される物理量。
helicity = 1
helicity = -1
Stern-Gerlachの実験
Mott散乱の角度分布
測定方法→
Moller散乱の断面積
Bhabha散乱の断面積 等

Bhabha散乱とは陽電子ー電子散乱断面積の大きさにスピンのなす角が入っている。
衝突確率大
衝突確率小
散乱断面積はと表される。

Asymmetry

Asymmetryをで定義する。

Bhabha散乱とパリティの破れの関係（まとめ）
Bhabha散乱は断面積にスピン依存性を含むもし、標的のスピンの偏極具合によって散乱確率が変化する、つまり検出数が変化する
陽電子のhelicityが0でない→パリティが破れている！！

現実の標的
標的電子全てのスピンをそろえることはできない（鉄で偏極率P=2/26、通常はそれ以下）

45パーマロイの性質
Fe-Ni-Co合金
高透磁率軟磁性材料
飽和磁束密度が大＝電子の偏極率が大きい

2003年度P2Moller班
卒業論文より引用

パーマロイの偏極方法
周囲にコイルを並列に巻き、中央部を励磁させる。
厚さ0.01mmのため3mmのアクリル板でバッキング（ビーム部は除く）

パーマロイ磁化測定の原理←励磁コイルの電流反転→
磁束密度はB←→－B

磁束密度の変化による誘導電流を測定する。
電流反転により、２Bに比例した電圧が発生する。

磁化の測定結果
測定データ

実験時は3A→飽和時の130/160

B-H曲線

よって1.8T×130/160=150 T

標的電子の偏極率

強磁性体の場合、磁場の由来はほぼ電子スピンのみ。

例

B～M=μsNP←P=2/6
測定時はB=1.5T

μs:Bohr磁子
N:電子密度
P:偏極率→P=0.015

gainへの影響今回の目標は磁場反転前後でBhabha散乱のスピン依存性による計数率の変化を測定すること→磁場がフォトマルの計数率に影響を与えては×
磁場の反転前後で計数率が変わるかを確認するgainへの影響
N+－NAs= -------------N-＋N+

N＋=2874
Nー=2788

As=1.5±1.3%
ただし、Asymmetryも小さいため、本当に無視できるか？
もっとデータをためて確認すべき。

Bhabha散乱以外の排除
原子核による陽電子の散乱の排除
 対消滅によるγ線の排除
 Accidental coincidenceの排除
原子核による散乱の排除
Bhabha散乱

原子核による散乱

e+e+

e+

e+
e-

Atomic nucleus

左右同時に入ったときのみカウントすればよい！

Bhabha散乱+ -ee原子核による散乱+eatomic nucleus

対消滅によるγ線の排除
陽電子は対消滅によりγ線を生じる

e + e → 2γ+−陽電子・電子の同時計測を取りたいため、シンチの信号からγ線を取り除く工夫が必要になる。
シンチを２枚重ねにし、両方鳴ったときのみβ粒子と見なす。

Accidental coincidenceの見積もり
τ = 30 ns
右armのcoincidenc
e信号

raccidental = 2 ×τ × rr × rlr:

左armの accidental
Accidental coincidenceの計数率
coincidenc
分解時間
e信号

τ:

rr :
rl :

右のシンチのcoincidenceの計数率
左のシンチのcoincidenceの計数率

タンデム加速器とは

線源の選定タンデム加速器で製造可能な線源→(p,n)反応によりβ＋不安定核を作る
ある程度の強度が必要→(p,n)反応の断面積が大きいこと
タンデム加速器ではpを12Mev程度まで加速可能→あまり原子番号が大きい反応は不可能

63Cu(p,n)63Zn

Cu(p,n) Znの性質の測定63Cu(p,n)63Zn

半減期の測定（文献値38.1min）β＋のエンドポイントの測定（文献値2345Kev）
測定値と文献値（table of isotopes）を比較し、63Znが生成していることを確認する

実験装置(2-coincidence)

シンチレーターシンチレーター

PM
TPM
T

小型散乱漕
厚いシンチレーター

63

陽子ビームCu回路図
PMT
PMT
discriminator

discriminatorcoincidence
gate generator
ADC
scaler半減期の測定
このデータに対し、検出数の変化
検出数の変化

検出数(Hz)
検出数(Hz)800
800

検出数(Hz)
検出数(Hz)近似曲線

38min00101020
3030
20
経過時間（分）経過時間（分）4040

でフィッティングすると→半減期＝38.3±0.3min(文献値38.1min)

エネルギースペクトルエンドポイントの見積もり
0.045
0.040.04
0.035
0.04
0.035
0.03
0.035
0.03
0.025
0.03
0.025
0.02
0.025
0.02
0.015
0.02
0.015
0.01
0.015
0.005
0.01
0.01
00.0050.00500010001000

カリープロット
カリープロット

カリープロット

カリープロット
カリープロット
線形近似

1000

2000
3000
4000
1500 エネルギー(keV)
2000
2500
3000
1500
2000
2500
3000
エネルギー(keV)
エネルギー(keV)

直線性の良い部分のみで線形近似→交点は２７89KeV（文献値２３４５KeV）

線源の生成能力
2.5nA陽子ビーム90秒＝2μCi
1nA陽子ビーム1分＝0.53μCi生成
InA陽子ビーム=最高29.3IμCiまで生成可能
タンデムでは100ｎAまで照射可能。
よって、MAX3mCi程度

実験装置(4-coincidence)

シンチレーターシンチレータパーマロイとーアクリル板

鉛アク
リルブロック

シンチレーターPMT

PMT

シンチレーターシンチレーターを近づけようとするとPMTがぶつかる

パーマロイを銅ターゲットに近づけるとPMTがビームラインにぶつかる

上から横から

回路図
PMT

PMT

PMT

PMT

discriminator discriminator discriminator discriminatorcoincidencecoincidencecoincidence
gate generator
ADC
scalerBhabha散乱イベントの抽出
4-coincidence以外に課する条件
前面のシンチが左右ともに500keV以上検出する→薄いシンチを貫通したイベントのみカウントする
４枚のエネルギーが合計2789keV以下（今回測定した63Znのエンドポイント）

N＋=4457
Nー=4451→

N＋=395
Nー=350パーマロイ散乱イベントの抽出
パーマロイを置かずに同様の測定を行う。
アクリル

アクリルγγγγ

パーマロイ有りの測定値 － パーマロイ無しの測定値＝パーマロイによるBhabha散乱Asymmetry
パーマロイありの測定値 －パーマロイ無しの期待値
N＋＝395
それぞれ243±7
N－＝350＝パーマロイ由来

N＋＝152±25
N－＝107±24→As=0.17±0.11
誤差が大きく、パリティが破れてるとは言い難いhelicity
Asymmetryが確認できなかったため、helicityが有限値であると言えない。

→パリティの破れは確認できず

バックグラウンドの原因
4-coincidenceしたイベント エネルギー条件でカット後

N＋=4457
Nー=4451

N＋=395
Nー=350

バックグラウンドの性質


左右の検出器を同時に鳴らす→少なくとも２つの粒子が生じる

薄いシンチレーターでエネルギーを落とさない→ガンマ線が関与しているバックグラウンドイベント1

原子核散乱

63Cu*のγ

Cu*のγ＋Compton散乱バックグラウンドイベント2

対消滅＋Compton散乱

63Cu*のγ

Cu*のγ＋Compton散乱チェッキングソースとの比較
タンデムのメリット

強い線源を用意できる。
（チェッキングソースは通常100μCi以下 ）→測定時間を短縮できる。
半減期が短い崩壊を使える。
→反応の選択肢が増える。
測定時には強力でも、すぐに弱まる線源を使える。
→実験が安全に行える

チェッキングソースとの比較
タンデムのデメリット

マシンタイムに制約がある→数日間で測定する必要がある
数回勝負になるビームラインは動かせない→配置に幾何的な制約を受ける。
（線源と測定装置間が遠くなる等）

密封線源（Bhabha散乱）との比較
チェッキングソースは陽電子のエネルギーが低い
68Ge max1.90MeV
63Zn max2.345keV
22Na max0.54MeV
27Al max3.789keV

VS

coincidenceのためにはmin500keV程度必要→実質的な線量は少ない。
強度ではタンデム加速器が有利

密封線源（Moller散乱）との比較
β－を利用するため対消滅はない→ γ線を放出しない不安定核を用いればシンチが一重ですむ
coincidenceのためにはmin500keV程度必要
低エネルギーの陽電子も使える

チェッキングソースが優る可能性も。

まとめ(p,n)反応によるβ+崩壊核63Znの生成
半減期・maxエネルギーにより確認
タンデム加速器で作れる能力→最大3mCi

そのβ+のヘリシティの測定
10時間のデータ累積でAsymmetry→0.17±0.11
helicity→有限値を持たず