核子当たり5MeV以上の高品質短寿命核ビームに

よる核物理、核化学、物質科学核物理の将来検討委員会、25-26,July, 2003

提案者：高エネ機構、宮武 他 ３８名

・ 高エネルギー加速器研究機構：新井重昭、石山博恒、片山一郎、川上宏金、田中雅彦、鄭淳讚、冨澤正人 、野村亨、仁木和昭、渡辺裕・ 日本原子力研究所：浅井雅人、飯村秀紀、池添博、石井哲朗、市川進一、長明彦、大島真澄、小泉光生、左高正雄、竹内末広、塚田和明、藤 暢輔、西尾勝久、永目諭一郎、西中一朗、光岡真一、吉田忠・東北大学サイクロトロンRIセンター：篠塚勉、・新潟大学：大矢進、大坪隆、東京工業大学：旭耕一郎・東京大学：櫻井博儀、久保野茂、・理化学研究所：和田道治、・大阪大学：下田正、・千葉工大：菅原昌彦、・九州大学：森川恒安、・西日本工業大学：小田原厚子

• 提案のねらい

• 再加速型短寿命核実験施設の現状

• 特徴的な研究課題の紹介

• 提案実現に必要な設備・施設

提案のねらい

EURISOLRIA

• 高品質短寿命核ビームによる共同利用実験の開始

一次ビ－ム用加速器

生成標的

実験装置

質量分離装置

・高品質ビ－ム, 加速エネルギ－可変, 高強度[核物理]

核反応機構（融合反応、核子移行反応）核構造（ク－ロン励起、スピン偏極、レ－ザ－）超重元素探索

[天体核物理]核反応率の直接測定（r-過程, rp-過程, CNO）

[学際領域]熱拡散現象、新物質探索、重元素の化学的性質

一次ビ－ム用加速器

生成標的

イオン源

再加速器

実験装置

質量分離装置

IF-typeRIPS, CRIB, JAERI-RMSGANIL. MSU, GSI, Dubna,Notre Dame, Texas A&M,...RIBF, GSI, ...

ISOL-type(KJ-RNB)Louvain-la-Neuve, REX-ISOLDE,SPIRAL, ISAC, HRIBF,EXCYT,BEARS,...ISAC-II, SPIRAL-II, MAFF,..

• MW-Class RNB facilityのための研究基盤の確立

・中高エネルギ－, 短時間質量分離, 中強度[核物理]

核反応機構（破砕反応、核子移行反応）核構造（未知核探索、クーロン励起、二次核反応）

[天体核物理]核反応率の間接測定（r-過程, rp-過程, CNOサイクル）

[学際領域]多重トレ－サ－による生体機能、照射効果

再加速型短寿命核実験施設 の現状

２００４年度から

• 1.1 MeV/u RNBによる実験開始（2005年から共同利用を予定）

•核分裂片などの加速

元素合成過程、中性子過剰核の核構造、物質科学

•タンデムとは独立に高強度安定核ビームを供給

材料照射

２００４年度以降の早い時期に

≥ 5 MeV/u

中性子過剰核の核反応機構

超重元素の化学

共同利用実験の開始

ビーム（スピン偏極）による核反応などを用いた

特徴的な研究課題

・中性子過剰な中重核によるしきいち近傍での核反応機構融合反応、核子移行反応における中性子スキンの影響超重元素(Z114, N184)の新しい生成法の開拓

・中重核領域での新しい核構造超変形状態の魔法数の存在、安定核の高スピン状態クーロン励起、融合反応

・天体における重元素合成過程r-過程におけるA=195質量ピーク生成核の核分光A=130, 195ピーク比の解明

・超重元素の化学相対論的効果による同族元素の持つ化学的性質の変化単一原子化学による化学的性質の解明

・物質科学への応用熱拡散定数の直接測定β-NMR, 低温偏極法等による物質中の電磁場構造、超微細相互作用

Reaction mechanism with n-rich RNB

• formation mechanism with neutron-rich nuclei near barrier->neutron transfer->neck formation->neutron transfer, inelastic excitation->break-up

phenomenological explanation: Stelson modelY. Watanabe, PhD thesis(‘02), Univ. of Tokyo

Heavy neutron-skin RNB

available neutron-skin nuclei:6He (2 neutron movable)

heavy neutron-skin nuclei:151Cs(10~12 neutron movable)

H. Fukunishi, et al., P.R.C48(‘93)1648.

N=96(~103pps)

Cs

•possible method for SHE production (Z=114, N~184)e.g. 45Ar+248Cm->293114179

entrance fissility=0.795

Neutron-skin Cs-RNBasymmetry reactionsymmetry reaction

Bm

Bm

Bm

Bm

• sensitivity for residue detection:α-emitter as a compound nucleiscattering chambere.g. ACs+71Ga=(A+71)Rn

• ERNB < 5 MeV/u,IRNB >103pps

• suppression forinelastic channel:

light inert nucleus as a targetmass-separation with RMSe.g. ACs+12C=(A+12)Pm

• ERNB < 5 MeV/u,IRNB >103pps

Barrier height at distance[MeV / fm]Bm Bt(Cs->tgt) Bt(tgt->Cs)

upper: 189.36 / 12.02 172.56 / 14.16 173.12 / 14.11lower: 186.16 / 12.27 164.30 / 14.91 170.87 / 14.30

estimated by Y. Watanabe

Barrier height at distance[MeV / fm]Bm Bt(Cs->tgt) Bt(tgt->Cs)

upper: 42.41 / 10.04 39.65 / 11.87 41.67 / 11.06lower: 41.61 / 10.63 37.50 / 12.62 41.17 / 11.25

estimated by Y. Watanabe

known elements (K. L. Kratz et al.)

unknown elements (T1/2, Pdn)

candidate for RNB (~105-6 pps)in the Sn measurement

W aiting Nucleiin the

A~80,N=50 regionand

A~130,N=82 region

核物理パラメタへの要請-ドリップライン近傍の中性子過剰核-に対する核構造研究

・質量測定・崩壊様式の確立

KJ-RNBfacility

Spectroscopy at N=126 regionindirect σ(n,γ) measurementQ-value measurement

Attack to the A=195 abundance peak

C.H. Dasso et al., P.R.L.,73(‘94)1907.ex.154, 136, 118Xe+208Pb,at 700MeV

Waiting Nuclei for A=195 peak202Os126201Re126200W126199Ta126

:

145Cs(106pps: 8-5MeV/u)+

198Pt(16 mg/cm2)

-2p+6n: 202Os-3p+6n: 201Re

Y=0.5aps for σ=10mb

Abundance ratio between A=130 and A=195 peaks

r-process path

132Sn(I > 106pps)λβ vs λ(n,γ)

A=130,190 abundance peak

σ(n,γ)indirect measurement

by means of ANC-method of (d,p) reaction

(Y~1000cts/5days/20∆θ, if σ~2mb/sr)

C. Freiburghaus. et al., Astrophys. J. 516(‘99)381.

σ(n,γ ) ≅ C2 e−κr

rˆ O (r)ψ +(r)

2

for (n,γ ) reaction

dσdΩexp

≅ D02 ⋅C2 χ f

e−κr

rδ pn χ i

2

for (d, p) reaction

C = S ⋅ b: Asymptotic Nomalization Coefficient(ANC)

N. Imai et al., N. P. A688(‘01)281c.

C~const. for various OMPin (d, p) reactions of

124Sn, 130Te, 138Ba, 140Ce,142Ce, 208Pbat 5MeV≤ Ed≤ 11MeVA. Strömich et al., P.R. C16(‘77)2193.

B. Pfeiffer et al., Z. Phys. A357(‘97)235. B.S. Meyer et al., Ap.J. 399(‘92)656.

A=195, N=126peak

による検証

site independent modelとSNIIでのr-process abundance を再現するための

中性子数密度と環境温度への制限

Relativistic effects •Direct relativistic effects:->relativistic contraction

•Indirect relativistic effects:->relativistic self-consistent expansion

-6

-8

-10

-12

-14

-4

Energy (eV)

4s5s

6s

7s

3d

4d5d

6d

V Nb Ta Dbd3s2 d4s1 d3s2 d3s2

DbBr5

Vapo

r Pre

ssur

e (m

mH

g)

600

400

200

0200 220 240 260

Temperature (°C)

TaBr5NbBr5

Chemical properties of SHE’sn 1 2 3 4 5 6 7

(n-1)d

np

5f

4f

JAERI, PSI, GSI, FLNR, LBL

Experiments Z ≤ 107started

for Z = 10826Mg+248Cm->269Hs+5n

Y=0.05 cts/hat I=200pnA, σ=5pb

KJ-RNB Facility

QuickTimeý Dzǻǵ êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

Buncher & Pre-booster linac(130 MHz, 5-8 MeV/u, A/q ≤ 7) Atom-at-a-time

Chemistry

Time schedule

JAERIPre-booster、HEBT

Exp. RoomUtility house

Electric powerWater cooling system

KEKCharge Breeder

Beam lineLinac

Measuring deviceWater

Buncher

200520042003200220012000

(≤ 1 MeV/u)

(≥ 5 MeV/u)

核物理: 中性子過剰核の核反応機構超重元素探索核の超変形状態(Coulomb Excitation)中性子過剰核の核構造(Decay spectroscopy)

天体核物理: 天体核反応率質量測定

物質科学: 熱拡散定数電磁気的構造 (PAC, β-NMR)

核化学: 相対論的効果 (Atom-at-a-time)

~10kW facilities:REX-ISOLDE4.3 MeV/u@2005

ISAC-II6.5 MeV/u@2006

Future E-arena at MW J-PARC

• The Nature of Nucleonic Matter:• Search for SHE-elements by means of the intense n-rich RNB

• Charge distribution by means of electron scattering and/or muonic X-ray

• Neutron distribution by means of anti-protonic X-ray

• The Origin of the Elements:• Synthesis of n-drip nuclei by means of the secondary fragmentation with intense n-rich RNB

• (n, γ) cross section of s- and r-process nuclei by means of the ultra-cold neutron

Synergy achieved by mergingRNB, muon, neutron, anti-proton, electron

at J-PARC

まとめ

KJ-RNB facility•KEK-JAERI RNB 施設の特徴

• UC2-標的等による中性子過剰な中重核ビームを高品質で供給

• タンデムビームとは独立に高強度安定核ビームを供給

•1.09 MeV/u RNB は 2005年から共同利用の予定

• ≥ 5 MeV/u RNB の早期建設を！！

・中性子スキンが関与する核反応機構

・中重核領域における核構造、重元素合成過程

・超重元素の化学

・RNBプローブによる応用科学

• MW-classのRNB施設に向けた研究基盤の充実