崩壊α粒子測定による αクラスター凝縮状態の探索 東北大学CYRIC 伊藤 正俊

崩壊α粒子測定による

αクラスター凝縮状態の探索

東北大学CYRIC

伊藤 正俊

目次

● Introduction ● αクラスター凝縮状態の研究の現状 ● Experiment ● 12Cにおけるα非弾性散乱＋崩壊α粒子測定 ● 逆運動学による16Oのα凝縮状態の探索実験 ● Discussions ● 崩壊α粒子測定の有効性 ● Summary

αクラスター凝縮状態

● 12C 0

2

+ _{(7.65 MeV): Hoyle state}

● Linear chain? → No. Loosely coupled 3α

H.Morinaga,Phys.Rev.101(1956)254, Phys.Lett.21(1966)78

● 3αクラスター状態

M.Kamimura, NPA351(1981)456

(e,e') form factorを説明 … Large rms radius

● αクラスター凝縮状態

A.Tohsaki et al, PRL87(2001)192501

● (α,α')等の角度分布 Airy structure

… 核半径の大きさに起因する現象

S.Ohkubo and Y.Hirabayashi,PRC70(2004)041602R, PRC75(2007)044609

α α α 12_{C, 0} 2 + _{(7.65 MeV)} lowest S-orbit α α α 12_C-0 2 +

4α以上のαクラスター凝縮

● αクラスター凝縮状態の普遍性 ...4α以上ではどうか？ ● 16O 4αクラスター凝縮状態

● 4α崩壊しきい値付近(Ex〜14.4MeV)に存在(Ikeda-diagram)

● 16O(α,α') New 0+ (13.6 MeV): Candidate

Wakasa et al, PLB653(2007)173

● OCM計算, THSR波動関数 … 16O 0+ 15.1MeV?

Y.Funaki et al, PRL101(2008)082502 Y.Funaki et al, PRC82(2010)024312

● 逆運動学による16Oのα凝縮状態の探索

(MI, this talk)

● Nαクラスター凝縮

● Dilute Nα-cluster condensate

T.Yamada and P.Schuck, PRC69(2004)024309

● Signatures for Multi-α-Condensed States

αクラスター凝縮状態に関連した状態

● 12C 2

2

+ _(〜10MeV)

● Excited dilute-3α-condensate like

T.Yamada and P.Schuck, Eur.Phys.J.A26(2005)185

● 12C(α,α') 9.8 MeV,Γ=1.0 MeV

MI et al, NPA738(2004)268

● 12C(α,α') + 崩壊α粒子測定

MI et al, Mod.Phys.A21(2006)2359, & this talk

● 12C(p,p') 9.6 MeV,Γ=0.6 MeV M.Freer et al, PRC80(2009)041303R ● β崩壊(12N,12B→12C*→3α) 〜11.1 MeV,Γ=1.4 MeV S.Hyldegaard et al, PRC81(2010)024303 ● 12C(γ,3α) 〜9.8 MeV M.Gai et al,ActaPhys.POL.B42(2011)775 α α α S軌道 12_C α D軌道

αクラスター凝縮状態に関連した研究

● 13C(α,α')、11B(d,d')

● 3α + n (13C), 2α+t (11B) クラスター構造

T.Kawabata et al, PLB646(2007)6

Y.Sasamoto et al, Mod.Phys.A21(2006)2393

● α condensed with a core nucleus

N.Itagaki et al, PRC75(2007)037303など

● α-particle condensate states in 16O

α+12_C(0 2

+_{) クラスター回転バンド}

S.Ohkubo and Y.Hirabayashi, PLB684(2010)127

● 24Mg(α,α') + 崩壊α粒子測定

● 非弾性散乱測定 (α,α') (p,p')等 ● 角度分布が角運動量移行Lによって特徴的 (α,α')では選択的にアイソスカラーモードを励起 前方角度測定によって Low-L移行の励起に特化 →多重極展開法 (Multipole decomposition)が有効 ● ＋ 崩壊α-角度相関で決定的 ● γ分解反応 ● γ線のE1, E2に対する選択的励起 + 崩壊α-角度相関 ● 重イオン反応 ● 8Be, 12C(0 2 +_{)崩壊 → 崩壊αの多重度測定} ● β崩壊 ● R-matrixによる解析 ● 崩壊α-角度相関

α凝縮状態に関する近年の実験の傾向

現在の研究紹介

● [研究１]12Cにおけるα非弾性散乱測定 + 崩壊α粒子測定 (阪大RCNP) ● 12Cの10MeV付近の 2 2 +_{状態の存在を確定させる} ● 非弾性散乱の角度分布　＝　前方角度でLによって特徴的 ● 12C* → 8Be(0 1 +_{)+α の角度相関(Lによって特徴的)} ● [研究２]逆運動学による16Oのα凝縮状態の探索(東北大CYRIC) ● 崩壊しきい値付近からの崩壊粒子測定 → 通常の運動学では困難 → 対象核をビームにし、崩壊粒子の測定を容易に ● 励起状態の核スピンの同定 → 角度相関まで測定できれば、、、 ● 不安定核にも適用できる！

12

_{Cにおける}

α非弾性散乱測定 + 崩壊α粒子測定

● 大阪大学核物理研究センター (RCNP) ● E α = 386 MeV ● 崩壊α : SSD :115° - 255° (10° steps) ● θ Grand Raiden = 0°, 4° Reactions: 12_{C + α →} 12_{C* + α' (Grand Raiden)} 12_{C* →} 8_{Be + α'' (SSDs)} 研究１

12

_{C(α,α'[α''+X])}

エネルギースペクトル

θ_cm=0.9° 12_C(α,α') 12_{C(α,α'[α''+X])} 12_C* _→ 8_{Be(g.s.) + α} 研究１ 今回はこのチャンネルのみ考慮

12

_{C(α,α'[α''+X])反応における}

崩壊α粒子測定と角度相関

● PWBA計算による角度相関関数 ● 0+ →0+ : uniform ● 2+ →0+ : minimum 〜55°,125° (0 3 + _{+ 2} 2 +_{)(10.3 )} 0 1 +_(g.s.) 2 1 +_{(4.44 )} 0 2 +_{(7.65 )} 8_{Be g.s.(7.37)} 8_{Be 2}+_(10.41) 3 1 -_{(9.64 )} 1 1 -_{(10.84 )} (2 2 +_{)(11.16 )} 3α (7.27) 0+ _{成分の抽出：} ～ 55°, 125°. (0+と2+の混合状態の場合)

W ∝

[

P

₀l



cos 

]

2 Jπ の分離 研究１

角度相関関数

2

+

状態 → 0

+

状態

● Ex = 15.4 MeV

● Ex = 18.2 MeV

Bule line　＝　PWBA calculation 12_{C(α,α')+ MDAの結果と一致}

MDAの結果

角度相関関数

Ex〜10MeV

● 0度非弾性散乱では m = 0のみを考慮すれば良い → PWBAでOK ● 10MeV付近を６つ分ける ● (c) 9.64 MeV 3- + 0+ 　　PWBA計算と一致 ● (d) 0+ + 2+ PWBA計算とそれなりに一致 研究１

16 O 0 1 + 15_N+p 4α 15O+n GMR? 0+ 0+

逆運動学による

16

_{Oのα凝縮状態の探索}

● α+12C(0 2 +_{)振幅が大} ● OCM計算 ：0 6 + _状態 ● THSR波動関数：O 4 + _状態 Large amplitude in 12_C(0 2 +_{)+α channel}

0+ _{states near 4α threshold (14.44 MeV)}

13.6 MeV, Γ = 600 keV 14.0 MeV, Γ = 185 keV 15.1 MeV, Γ = 166 keV T.Wakasa et al, PLB653(2007)173 0+ Y.Funaki et al, PRL101 (2008)082502 Y.Funaki et al, PRC82 (2010)024312 = (0 6 +₎ OCM = (04 +₎ THSR ? 研究2

αクラスター凝縮状態の探索方法

● Dilute Nα state → Dilute (N-1)α state

逐次的にα崩壊して行く

T. Yamada and P. Schuck, PRC69 (2004) 024309 ● 崩壊α粒子を測定し、 以下の崩壊分岐比を求める 1. 16_{O* → α +} 12_C(g.s.) 2. 16_{O* → α +} 12_C(2+₎ 3. 16_{O* → α +} 12_C(0 2 +_{) → 4α} 4. 16_{O* →} 8_{Be +} 8_{Be → 4α} ● 4α崩壊しきい値付近からの崩壊α測定をするため、逆運動学反応 12_C(16_O, 16_O*[α+X])12_{C を採用。} 0 2 + 6.049 11.26 12.049 14.032 15.097Γ=166 keV 185 keV 1.5 keV 2.5 MeV 12_C+α 7.162 12_C(0 2 +_)+α 14.816 14.437 4α 17.72 18.089 (0+_,2+₎ (0+₎ 8_Be+8_{Be 14.620} 11.601 12_C(2 1 +_)+α 13.6 600 keV 15_N+p 12.127 15.664 15_O+n 16_O g.s. 研究2

部分幅の計算

● Partial α widths Y. Funaki et al, PRC80 (2009)064326 ● 12C 0 2 + _{+ αチャンネルの換算幅 (θ)} > 12_{C(g.s.) + α 及び} 12_C(2+_{) + α チャンネルの換算幅} ● ところが、 d実際はクーロン障壁のため、12C(0 2 +_{)+αチャンネルの崩壊幅} は非常に小さい。(2x10-7 _keV) ● まずは、 12C(g.s.) + α 及び 12C(2+) + α チャンネルの分岐比を正確に 求める → 統計次第では12_C(0 2 +_{)+αチャンネルの測定も、、、} 研究2

実験概要

● 施設:東北大学サイクロトロン・ 　　　　　　ラジオアイソトープセンター ● 加速器: K=110MeV AVFサイクロトロン ● 41コース＆大型散乱槽 ● 加速粒子＆エネルギー: 16_O5+ _{- 160 MeV} ● 標的： natC 50μg/cm2 C41C41 Scattering Scattering chamber chamber 研究2

実験セットアップ

● 反応:16O + 12C →16O* + 12C 16_O* _{→ αα +} 12_C(g.s.,2+_,0 2 +_),etc ● SSD0: 反跳 12C (θ=61°, q=0.95fm-1) SSD1: 反跳 12_{C (θ=48.5°,} q=1.7fm-1) SSD2: 反跳12_{C for ビームモニター} with 1mm(W) x 10 mm(H)コリメータ

● PSD (Position Sensitive Detector):

崩壊粒子 (αα, 12_{C, etc)} ● BGO0&BGO1: 16_{O +} 12_{C →} 16_O* ₊ 12_C(2+_{)反応の寄与} を評価 → 非常に小さい 16_{O beam} SSD0 SSD0 SSD2 SSD2 SSD1 SSD1 Recoil 12C BGO0 BGO0 BGO1 BGO1 PSD PSD Target Target α 12_C 163 mm 163 mm 30 2m m 30 2m m 研究2

崩壊α粒子検出器

● PSD (Position Sensitive Detector) ● 標的からの距離 L PSD : 306 mm ● X : 16ch, Y : 16ch ( Δθ = ±0.28°) ● 厚さ : 994 um (Range ~ 50MeV – α ) ● 設定角度 (θ PSD): 9°, 17.5°, 26° ● アルミ板 (200um)の設置 : ● 弾性散乱 16O (〜 160 MeV)： 停止

(160MeV - 16_{O range 〜 170 um)}

● α粒子: Eα > 20.5 MeV で貫通 Al PSD α α 16 16_OO 研究2

データ解析

● 粒子識別: TOF (Time Of Flight)法

● 反跳12Cエネルギー → Ex(16O) ● E(Recoil 12C) = 4.8-5.2 MeV (SSD0) → Ex(16_{O) = 15.1 MeV} 16_O+12_C→16_O*₊12_C 16O*→α+12C SSD0 PSD-Y SSD0 acceptance Gate for Ex(16_O)=15.1MeV 12_{C SSD0} PSD-Y 研究2

実験結果

● 2次元ヒストグラム θ

decay vs Edecay(Edecay>20 MeV) θdecay

16_O* α 16_{O beam} PSD9°PSD17.5° PSD26° 12_C α SSD0 (θ SSD0 (θ SSD SSD= 61°)= 61°) PSD9° _{PSD17.5° PSD26°} SSD1 (θ SSD1 (θ SSD SSD= 48.5°)= 48.5°) 12_C α Kinematics 研究2

実験結果との比較

● 簡単な運動学の シミュレーション ● 全ての崩壊粒子は、 16_O,15.1MeV-0+_状態から 放出されると仮定 PSD9°PSD17.5° PSD26° 12_C α SSD0 (θ SSD0 (θ SSD SSD= 61°)= 61°) α + 12_C(g.s.) α + 12_C(2+₎ α + 12_C(g.s.) α + 12_C(2+₎ α + 12_C(0 2 +₎ ? 研究2

質量欠損スペクトル

● 質量欠損

● E

not detect : 検出された崩壊粒子　Edetectから計算

● PSD検出器の立体角を考慮する必要あり M _x=M  O16 E_x16O−E_c.m.−E_c.m.12C E_c.m.(α) E_c.m.(12_C) α 12_C 16_O* 12_C(g.s.) 12_C(g.s.) 12_C(2+₎ 12_C(2+₎ PSD 9deg from Carbon from Alpha 研究2

崩壊分岐比

● 崩壊チャンネル 1. 16_{O* → α +} 12_C(g.s.) 2. 16_{O* → α +} 12_C(2+₎ 3. 16_{O* → α +} 12_C(0 2 +_{) → 4α} 4. 16_{O* →} 8_{Be +} 8_{Be → 4α} ● 崩壊12Cから得られた質量欠損スペクトルから崩壊チャンネル１、２の分岐比を 求めると 約 7:3　であった（Preliminary result) ● 崩壊α粒子からも分岐比を求める。（現在解析中) ● 一致していることを確認する必要がある。 12_C(2+₎ 12_C(gs) α spectrum 12_C(2+₎ 12_C(gs) 12_{C spectrum} 研究2

崩壊α粒子測定の有効性１

● 崩壊α粒子測定のメリット ● 崩壊α粒子の角度相関 → 核スピン ● 崩壊分岐比 → 崩壊チャンネルのamplitude (ただし、重い核では難しいと思われる) ● 非弾性散乱の超前方角度分布測定　＋　MDA の有効性　 ←結局、同じ結果が得られる。 反応計算がより発展すれば、 核構造研究の強力なツールに ● 崩壊α粒子測定が有効な例 12_{C 10MeV付近の0}+_状態 右図　(α,α')+MDAの結果 0+_{状態が2成分にも見える}

崩壊

α

粒子測定の有効性

● L=2の成分は 130°および 230°で 0 →　この設定角度ではL=0成分のみ見られるはず (L=0とL=2のみが混ざったピークの場合) The 0 3

まとめ

● αクラスター凝縮の概念が提案されてから、 多くの理論・実験研究が行われた。 ● α非弾性散乱の前方角度測定 + 多重極展開法（Multipole Decomposition Analysis)がLow-L移行反応の抽出に有効 12_{C second 2}+ _state ● 崩壊α粒子測定によって ● 核スピンの抽出 12_{C second 2}+ _state ● 波動関数の情報 16_{O　αクラスター凝縮状態の探索} ● α非弾性散乱＋MDA+崩壊α粒子測定　で連続状態に埋もれてい る状態を発見できる可能性がある

共同研究者

● 12C(α,α')12C[α+8Be] 実験 (RCNP) 秋宗秀俊、内田誠、奥村瞬、川瀬啓吾、川畑貴裕、岸智史、 坂口治隆、銭廣十三、寺嶋知、中津川洋平、中西康介、 橋本尚信、村上哲也、安田裕介、與曽井優 ● 12C(16O,16O*[α+X])12C 実験 (CYRIC) 高橋利哉、及川明人、川村広和、酒見泰寛、佐藤智哉、 早水友洋、原田健一、Liu Shan、吉田英智