2023 年度 第1回 宇宙史研究センター構成員会議
2023/6/27

RIBF における元素合成解明に向けた大型実験装置の現状
Current status of large-scale experiments at RIBF
towards nuclear synthesis
理化学研究所仁科加速器科学研究センター
実験装置開発部
大西哲哉

1

元素合成と原子核物理
原子核の性質 : 宇宙・星における原子核の存在形態
原子核の安定性・不安定性

元素の生成過程 = 元素の存在比率

太陽系の元素組成

Wikipediaより

2核融合反応による元素合成
ビックバン元素合成

D

水素 → 重水素 → ヘリウム

pD

D

4Henγ

D

γ

D

3He

D

np
4He

D

D

3He

D

p

星での元素合成
4He

4He

4He
12C

4He

4He

16O

20Ne

16O

32Si

56Fe

56Fe より重い元素はどうやって作られるのか？

n4He

3

重元素の合成過程
rp-process:
高速陽子捕獲
at T = 1-2 GK
中性子星の連星系で降着のところ

s-process:
先にβ崩壊し、次の元素に移っていく。

(n,γ) reaction(p,γ) reaction
β- decayβ+ decay

r-process: β崩壊する前に中性子捕獲が起きる。
→ neutron capture rate (ms ～ μs)
at T = 1-2 GK, Density 300 g/cm3(60%n)
多量の中性子: 中性子星や超新星の爆発的反応

M. S. Smith et al., PoS(NIC-IX)179.

どこの経路を通っていくのか？
どこまで合成されるのか？
→ 原子核の情報が必要
Kenneth Krane, Introductory Nuclear Physics, (1987)

4

5

原子核実験で調べること• 陽子/中性子過剰核の性質: 質量、寿命→ 天然には存在しない不安定核の性質を調べる。
• 陽子/中性子捕獲反応、他の原子核反応の断面積• 中性子星、超新星における原子核の振る舞い: 状態方程式→ 中性子スキンの研究etc ....

加速器を使った不安定核実験

理研 RI ビームファクトリー

6

現時点で、世界最高のRI製造能力を持つ不安定核実験施設

仁科ホームページより

理研 RI ビームファクトリー

7

現時点で、世界最高のRI製造能力を持つ不安定核実験施設

SRC
重量: 8300 t
直径: 18.4 m
磁場: 1.5 T(8Tm)
周回長: 14km～U 345 MeV/u

仁科ホームページより

理研 RI ビームファクトリー

8

現時点で、世界最高のRI製造能力を持つ不安定核実験施設

RIBF 加速実績 at 2020

SRC
重量: 8300 t
直径: 18.4 m
磁場: 1.5 T(8Tm)
周回長: 14km～U 345 MeV/u

N. Fukunishi, PASJ2020 WEOOP02

仁科ホームページより

9BigRIPS (超伝導RIビーム分離生成装置)
不安定核生成反応: 入射核破砕反応, 飛行核分裂反応
重イオン
ビーム

実験装置へ

第１ステージ
生成・収集・分離第２ステージ粒子識別
磁気剛性: 9 Tm
磁場勾配(STQ1): 24 T/m(他): 14/Tm
全長: 77 m

10RIBF における不安定核供給～300～3300～195～7000

仁科センターホームページより(www.nishina.riken.jp)

11

大型実験装置 at RIBF

SCRIT
GARIS

RIPS

CRIB

SAMURAIZDS
R3SHARAQ＋OEDO

KISSBigRIPS12

現在進行中の研究(ほんの一部)
寿命測定

ZDS + BRIKEN

状態方程式のパラメーター
SAMURAI + SpiRIT

天体核反応 CRIB, SHARAQ+OEDO
Spectrometer を使った測定
核子密度分布 ESPRI

β-delayed neutron 検出器

大型実験装置 at RIBF

13

SCRIT 電子散乱
GARIS

RIPS

CRIB

SAMURAIZDS
R3 質量測定SHARAQ＋OEDO

KISSBigRIPS

14

精密質量測定原子核の質量: 束縛エネルギーを通じて原子核の構造を反映
𝑀𝑐 2 = 𝑍𝑚𝑝 + 𝑁𝑚𝑛 𝑐 2 − 𝐵
𝑁−𝑍 2𝑍2+ 𝑎𝑐 1 + 𝜖(𝑍, 𝑁)
𝐴𝐴32−𝐵 = −𝑎𝑣 𝐴 + 𝑎𝑠 𝐴3 + 𝑎𝑠𝑦𝑚

表面項

対称項

エキゾチックな原子核

クーロン項

2核子系の対相互作用

陽子数

体積項

短寿命: 半減期T1/2 < ～20 ms
新同位元素近辺: 収量 ～1個/日＋ΔM/M ～10-6 の精度

中性子数

15

稀少 RI リング (Rare-RI Ring) Project2012 建設開始
2021 物理実験開始
周長: 60.35 m
直径: 約 18 m
周回時間: (典型例) ～ 760 μs
周回数: 約 2000 周

等時性リング

𝑚0 1
𝑇0 = 2𝜋(等時性)
𝑞0 𝐵0
基準粒子

unknown

運動量に依存せず、周回時間か
𝑚0𝑚1
𝐵𝜌 =𝛽0 𝛾0 =𝛽1 𝛾1 𝛽0 𝑇0 = 𝛽1 𝑇1ら質量を導出。
𝑞0𝑞1→ すこし等時性がずれた粒子=Unknown 質量を精度良く測定。
2𝑚𝑚
𝑇
1−𝛽-61011Δm/m ～ 10=
2𝑞1𝑞0 𝑇0𝑇11−𝛽𝑇0 1

16

個別入射: 欲しい RI だけを入射して測定

950ns =85ns(signal)+320ns(transfer)+545ns(magnet)～160 m～ 1μs at 175MeV/u

From Y. Yamaguchi

17

実験結果(一部紹介)

H. F. Li et al., Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 152701.

123Pd の質量値→元素合成過程におけるモデル計算への重要な入力

18

今後のプラン• 入射効率、取り出し効率の向上
Ni 領域• 長期安定動作への改良

N=Z

N=126領域
N=82 領域

78Ni 領域19

電子散乱
精度の良く、信頼できるプローブ原子核をあまり modify しないで、実験が行える。
中性子スキン: 中性子が染み出している領域→ 核子(陽子+中性子)分布 : 陽子弾性散乱
陽子分布 : 電子弾性散乱d d2=
 Fc (q)d  d  Mott2

 Ze 2   1 −  2  1 d22   = 
1 −  sin ( ) 2  4 d  Mott  2me c     sin 4 ( ) 2 2𝐹𝑐 𝑞 = න 𝜌𝑐 (𝑟)𝑒
Ԧ −𝑖𝑞𝑟Ԧ 𝑑𝑟Ԧ

B. Frois and C. N. Papanicolas, Ann.Rev.Nucl.Part.Sci. 37 (1987) 133.

20SCRIT Project
これまでオンライン生成した不安定核での実験はない 。
= 天然には存在しない静止標的 & 数(～1020個)が必要SCRIT = Self Confining Radioactive Ion Target➔ 新しい不安定核静止標的作成法
輸送・入射

不安定核

電子ビームによるトラップ力

散乱電子電子ビーム
標的電子ビーム

21

SCRIT Project
これまでオンライン生成した不安定核での実験はない 。
= 天然には存在しない静止標的 & 数(～1020個)が必要
SCRIT = Self Confining Radioactive Ion Target➔ 新しい不安定核静止標的作成法
輸送・入射

不安定核
電子ビーム

電子ビームによるトラップ力

散乱電子

SCRIT を使った電子散乱実験
標的ルミノシティ:
1027 cm-2s-1
電子ビーム
810 ions
200 mA e-beam, e-size ～mm2

22

SCRIT device

SCRIT施設
2009 建設開始
2013 ISOL から RI ビーム供給
2016 コミッショニング
M. Wakasugi et al., NIMB317(2013)668.

scraper

電子蓄積リング
WiSESLMonERISISOL施設: ERISクーラー
バンチャー

00

電子加速器

電子ビーム

3m3m

23

SCRIT device

SCRIT施設
2009 建設開始
2013 ISOL から RI ビーム供給
2016 コミッショニング
M. Wakasugi et al., NIMB317(2013)668.

scraper

電子蓄積リング
WiSESLMonERIS
ISOL施設: ERIS

クーラー
バンチャー

00

電子加速器

電子ビーム

3m3m

24

さらなる研究プラン

・全光吸収断面積測定
0 度散乱 ➔ 蓄積リングを分離装置として活用

𝜎 𝛾, 𝑛 + 𝜎 𝛾, 𝑝𝑛 +𝜎 𝛾, 2𝑛原子核の構造の理解
合成過程計算におけるインプット

25

四次モーメント測定による中性子分布測定"The nth-order moment of the nuclear charge density and contribution from the neutrons"
H. Kurasawa and T. Suzuki, Prog. Theor. Exp. Phys. 2019, 113D01.

𝑝

𝜌𝐶 𝑟 = 𝜌𝐶 𝑟 + 𝜌𝐶𝑛 𝑟

𝑝2𝑟𝑝(𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡)= න 𝑟 2 𝜌𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡 𝑟 𝑑𝑟 3𝑟𝐶2 = න 𝑟 2 𝜌𝐶 𝑟 𝑑𝑟 32𝑛𝑟𝑛(𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡)= න 𝑟 2 𝜌𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡𝑟 𝑑𝑟 32= 𝑟𝑝(𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡)+ 𝑟𝑝2 + 𝑟𝑛2

𝑁+ relativistic corr.(spin-orbit terms and ....)
𝑍neutron radius
Point proton radius
proton radius

𝑟𝐶4 = න 𝑟 4 𝜌𝐶 𝑟 𝑑𝑟 34= 𝑟𝑝(𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡)+

1032𝑟𝑝(𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡)𝑟𝑝2 +1032𝑟𝑛(𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡)
𝑟𝑛2𝑁
𝑍+ relativistic corr.

Point neutron radius
𝑟𝐶4 exp

𝑟𝐶4 calcn-cont.(3rd term)(Full rel. calc NL3)

(calc)

n-skin(calc)

48Ca

194.7 fm4

191.7 fm4

7.3 fm4 (6.9%)

0.06 fm

208Pb

1171.58 fm4

1156.81 fm4

20.254 fm4 (1.8%)

0.28 fm

26

𝑟𝐶4 の測定方法
1. 荷電分布を広い運動量領域で測定 → 高いルミノシティが必要。
2. 低運動量移行領域で、高精度で荷電分布を測定。
→ 低いルミノシティでも可能(大きい断面積 (1/q4))
Low-q region

𝐹𝐶 𝑞2

𝐹𝐶 𝑞 = න 𝜌𝐶 𝑟Ԧ 𝑒 −𝑖𝑞∙𝑟Ԧ 𝑑 3 𝑟

48Ca

𝑟𝐶2 2
𝑟𝐶4 4
𝑟𝐶6 6~1 −𝑞 +𝑞 −𝑞 +⋯3!
5!
7!
(PWIA)+ 𝑟𝐶4

Calculated values
48Ca

𝑟𝐶2

𝑟𝐶4

𝑟𝐶611.91

194.73913

H. De Vries et al., Atomic data and nuclear data tables 36 (1987) 495.

~ 𝑟𝐶2
𝑞 [fm-1]

中性子スキンの導出 & under discussion…

+ 𝑟𝐶6

27

将来計画 イオン蓄積リサイクルリング
1 pass 実験
RI ビームリサイクル実験
RI ビーム標的

リサイクル
RI ビーム

1MHz～ 6 桁向上
薄い標的

照射効率の劇的向上
問題点: 周回ビームのクオリティ悪化
解決策: 個別エミッタンス補正
・粒子毎の情報に基づいた補正
・他のイオン蓄積リングには無い方法

技術開発及び実証機 → RUNBA プロジェクト

28

Recycled-Unstable-Nuclear Beam Accumulator(RUNBA) プロジェクト
理研仁科センター&京都大学化学研究所
エネルギー
補正

角度補正

内部標的

RI beam ～ 10 MeV/u
少数粒子 < 10, 1MHz
内部標的(1018/cm2)➔ 衝突頻度～1024/cm2/s

RI ビームを使った核反応実験
従来: 103 cps RIビームが限界
RUNBA: < 1 cps RIビームが可能

適用例: 天体核反応実験

稀少 RI ビームを使った核反応実験(n,γ) 反応 → (d,p) 反応
with ANC 法
既存実験 必要レート > 104 cps→ そこまで遠くにいけない

1 cps の不安定核 with RUNBA

Direct measurements of (a, n) reaction in lighter mass region
e.g., 80,82Ge, 84,85Se, 85,86Br, 86-90Kr, 91Rb, 93,94Sr(a, n) reactions

29

30

まとめRIBF における不安定核研究
新しい大型実験装置
R3: 精密質量測定
SCRIT: 不安定核電子散乱

将来計画
RUNBA: イオン蓄積リサイクルリング

研究対象＆手法の拡大
元素合成過程の解明に向けたさらなる進展31

主な共同実験グループ
R3 project
筑波大
小沢・森口グループ
埼玉大
鈴木・山口グループ
京大化研
若杉グループ
東大CNS, 東工大, Surrey 大, GSI, IJCLab, CENS, IMPSCRIT project
東北大ELPH 須田グループ
京大化研
若杉グループ
立教大
栗田グループ埼玉大
鈴木・山口グループ
長岡技術大学、山形大学、GSI, Shandong 大
RUNBA project
京大化研

若杉グループ