2008 立教

天体核物理学 本林 透（理研仁科加速器研究センター） motobaya@riken.jp １　元素、原子、原子核

２　宇宙での核現象 ３　核反応率とガモフのピーク ４　共鳴状態と連続状態 ５　元素合成と星（宇宙）の進化 ６　爆発的元素合成と不安定原子核 ７　ビックバン元素合成、超新星爆発と r 過程、s 過程 ８　RI ビームによる天体核反応研究 ９　太陽ニュートリノ問題と 7Be(p,γ) 反応 10  クーロン分解法 11  ANC 法、「トロイの木馬」法 12 まとめ

http://rarfaxp.riken.go.jp/~motobaya/lectures/nuclastro/2008.html

2008 立教 Thielemann (2004)

宇宙での核燃焼 nuclear burning in the universe

（主系列）星

ビッグバン

超新星 - おそらく

新星

超新星

X 線バースト

AGB（赤色巨星）

「爆発的」 - 単位時間あたりのエネルギー放出大 短時間の現象 太陽の燃焼：数十億年 <=> SN元素合成: 1秒 高温、高密度

不安定核

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Solar System Abundance

++ + 232Th (14.05Gy)

238U (4.47 Gy)

Actinide

P

STARS

COSMIC-RAYS

　　 R-PROCESS ELEMENTS 　　 UNKNOWN SITES ?

AGB STARS R

R R

S（N=82)

S（N=50)

S（N=126)

R-process elements, SUPERNOVAE ?

Supernova-g Process ?

BIG-BANG Both PRIMARY PROCESS !

T. Kajino

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13N+p => 14O+γ β+ 13C

0.545

13 N+p

14 O0 0+

5.17 1-5.92 0+6.27 3-6.59 2+

E1 E0E3

E2

共鳴を経由する場合�

CNO サイクル�

14O Hot CNO

13C

14O

Ex A+n

A+1

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RI (Radioactive Isotope - 放射性同位元素）

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原子核の 発見の歴史

３,０００

０

２０００ １９４０

4,０００

でも、10,000はまだまだ

RIBF

2008 立教

アイソトープ製造�

自然�� 例）U-Th 系列 - Becqurel / Curie�� � ��1896 1898�

人工 - 核反応���穏やか �� 中性子捕獲�� 核分裂（n, 光、衝突）��� 重イオンの融合 �� 組み替え、交換反応���激しい�� スポレーション �� 入射核破砕�

RI ビーム生成�

再加速法���Louvain la Neuve ���TRIUMF, TRIAC, RIBF, ….���Munchen �“in-flight”���CNS, TRIAC, …���RIKEN, GSI, …..�“batch” 法 - long lived RI��� �c.f. 反陽子�

静止した原子核 � � � � �ビーム => 反応���質量、核モーメント（基底状態） � � ���核半径（断面積）���β-γ分光 � � � � ���インビーム分光�� � � � � ����（天体）核反応�

2004 東大

http://www.houshasen.tsuruga.fukui.jp/c0480982.html

226Ra 1600 y

228U 4.5x109 y 　　　~ 太陽年齢

206Pb stable

Z

N-Z

ウラン系列

超新星爆発？

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核の生成 静的性質 質量、寿命、崩壊様式

核反応 直接測定 間接測定 共鳴の性質 断面積決定

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RI ビームの生成

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大強度一次ビーム

核反応 normal kinematics => RI at rest spallation, photo-fission, n-fission, … （取り出し）

イオン化 表面電離、ECR、 （多価化）

質量分析

再加速 liniac, cyclotron (Louvain la Neuve), ….

再加速法�

ISOL (Isotope Separator Online)

2008 立教

TRIAC Tokai Radioactive Ion Accelerator Complex

E = 1.1MeV/u (2004~) E ≥ 5MeV/u (2006~)

In-flight 法�

再加速法�

2008 立教

Low-Energy In-Flight Separation of Radioactive Beams @ CNS

•  Production of Radioactive Ions Low-Energy (E < 10 MeV/nucleon) Heavy-Ion Primary Beams (A<40) + Reactions in inverse-kinematics e.g. p(14N,14O)n

( ISOL)

K=70 AVF Cyclotron

14-GHz ECR Ion Source

CRIB AVF

ECR

< 6 MeV/nucleon, not very far from stability

2008 立教

入射核破砕�

target

projectile

θ ~ 0 v ~ vbeam

wide range of (unstable) nuclei regardless of chemical properties

E > 50 MeV/nucleon

by Ong Hooi Jin

重イオンビーム

入射核破砕� （核分裂）

質量分析�

May 2008 Dubna

RILAC

AVF

RRC

fRC

IRC

SRC

SHE (e.g. Z=113)

135 MeV/nucleon for light nuclei (1986-)

~5 MeV/nucleon

pol. d beams

RI beams (<5 AMeV) - CRIB v~0.1c CNS 1st beam in Dec. 2006

U beam in Mar. 2007 1st new isotope (125Pd): May 2007

v~0.6c

Fast RI beams - RIPS

v~0.3c

RIKEN RI-Beam Factory (RIBF)

RIBF new facility 350 MeV/nucleon up to U

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production target

primary beam(cyclotron)

D1

D2

F1

F2 target

plastic scintillatorhodoscopes

RIPS(RIken Projectile fragment Separator)

radioactive beam

56 NaI(Tl)

8B beam

p

7Be

PPAC

50 - 90 MeV/nucleon

DALI

HODO

Particle and g spectroscopy with RIPS DALI

(208Pb)

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RI ビームによる実験の手法

-- 逆運動学�

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direct reaction => nuclear structure information

target = object

θ

E PID

beam = probe

examples: (p,p’), (d,p), … reaction channel: PID of ejectile excited level: E (θ)

cross section => deformation single particle strength angular distribution => angular momentum

direct (first-order) mechanism

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58Ni(d,p)59Ni E =15 MeV (1962)

distance along the focal plane (momentum)

l - dependence of angular distribution

4

0 1

2 3

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Advantages / disadvantages of fast RI beams

poor (intensity) 0.1 - 105 pps

dirty (emittance) 2cm φ, 1~2 deg. Spread

high energy

efficient setups good reactions (large σ)

γ-ray measurement invariant mass beam measurement

thick targets forward focusing

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inverse kinematics / methods of spectroscopy RI (beam) + target (probe) -----> projectile-like products γ decays (bound) particle decays (unbound) ------> target-like products recoil particles target-γ

reaction-channel ID: PID of the projectile-like product state ID: γ ray (Doppler-shifted) invariant mass

target = probe

(θ)

E PID

beam = object

2008 立教

Erel <= pp, p7Be, θp-Be

ΔErel : Independent of ΔEin

ΔErel ≈ 2 A1A2

A1 + A2

T0Erel Δχ

Δχ = Δθ, Δv / vΔErel=200 keV

p+X, T0=100 AMeV, Erel=1 MeV,

Δθ=0.5 deg. Δv=1%

kinematics