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1 中性子寿命の精密測定と ビッグバン元素合成 高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所特別准教授三島賢二 On behalf of J-PARC neutron lifetime collaboration 2014 年 08 月 08 日 ( 金 ) 大阪大学核物理研究センター宇宙核物理実験の現状と将来

2 中性子の β 崩壊 n e - p ~0.4 kev ~350keV ν 中性子寿命 : τ n = ± 1.1 (PDG2012) 中性子は 880 秒で陽子 電子 反ニュートリノに崩壊する これは最も単純な原子核の β 崩壊である 中性子崩壊の重要性として以下の物理があげられる Big Bang Nucleosynthesis ビッグバン後の軽元素合成 CKM unitarily reactor neutrino anomaly solar neutrino proton spin Goldberger-Treiman/Muon capture Bjorken sum rule Lattice calculation benchmark 1

3 ビッグバンと宇宙の進化 星の形成 (8 億年 ) 原子の形成 (38 万年 ) 原子核の誕生 (200 秒 ) 中性子寿命測定 核子の生成 (~10μ 秒 ) クォークグルーオンプラズマ 2

4 ビッグバン元素合成 Big Bang Nucleosynthesis

5 ビッグバン元素合成 (BBN) ビッグバン後の10usで陽子と中性子が形成される 陽子と中性子は同じ数 T ~ 1MeV (1 秒 ) 温度が下がってくると中性子が減ってくる 1 秒後 (T~1MeV) あたりで平衡からずれる (Freeze out) Q(n p+e - +ν ) = 1.293MeV n p = exp Q T f ~ 1/6 中性子寿命 T ~ 0.1MeV (3 分 ) p+n D + γ (Q = 2.22 MeV) 質量数 8 の壁 質量数 5 の壁 n + ν p + e n + e + p + ν T < 0.1 MeV 3 He, 4 He, 7 Li が合成される 質量数 7 までの元素を 3~60 分で合成する 陽子と中性子の量がわかれば反応断面積から計算できる 4

6 ビッグバン元素合成 (BBN) 初期条件がわかればその後の元素合成が計算可能 インプットパラメーターは バリオン数密度 (CMB 測定から ) 中性子寿命 核反応断面積 標準 BBN 理論 isotropic and homogeneous matter distribution general relativity standard theory of EM+Weak neutrinos are light and stable number of neutrino species=3 初期宇宙の観測と良い精度で比較すれば 標準 BBN の検証が可能になる 5

7 宇宙背景放射 Cosmic Microwave Background

8 宇宙の腫れあがりと宇宙背景放射 (CMB) の測定 COBE,WMAP, and Plank

9 2.7K 宇宙背景放射からわかること 変動の大きさと相関角度から初期宇宙の物質密度がわかる 月の大きさが約 0.5 度 ESA/Planck Collaboration/D. Ducros わかること (1) 宇宙寿命 (138.2 億年 ) (2) ハッブル定数 (3) バリオン ( 物質 ) と光子の密度比 (ρ b /ρ γ ) (4) 物質と輻射のエネルギー密度比 (ρ b /ρ γ ) (5) Etc..

10 ビッグバン元素合成 v.s. 天体観測 v.s. 背景放射 天体観測 4 He 背景放射 元素合成計算 PDG2013 推奨値 Yp = ± D 中性子寿命の影響 dy p /Y p ~ 0.7 dτ n / τ n 3 He 7 Li [ 4 He/H]( 天体観測 ) = 97 [ 4 He/H](τ n :1%) = 17 x10-3 *A. Coc et al, The Astrophysical Journal, 600 (2004) 544 9

11 川崎雅裕 ( 東京大学宇宙線研究所 ) 第 1 回 NOP セミナー 10

12 Planck & He/H & Neutron Lifetime 天体観測による He/H 比は系統的に大きくばらついている 11

13 中性子寿命測定の現状

14 いろいろな中性子寿命測定 大きく分けてビーム法と蓄積法の 2 種類がある 手法 Beam Penning trap Gravitational trap Magnetic trap 中性子源原子炉原子炉原子炉原子炉 エネルギー冷中性子冷中性子超冷中性子超冷中性子 測定粒子電子陽子中性子中性子 メリット flux monitor low background small correction no wall loss デメリット high background flux monitor wall effect depolarization 結果 878 ± 27 ± 14 (1989) ± 1.2 ± 3.2 (2005) ± 0.7 ± 0.3 (2008) 878 ± 1.9 (2009) ビーム法手法 : 中性子 flux と崩壊の個数を測定困難 : 中性子 flux の測定 蓄積法手法 : 中性子を貯蔵しなくなる時間を測定困難 : 閉じ込めの完全性 ( 壁での吸収等 ) 13 the Dead v.s. the Survival

15 いろいろな中性子寿命測定 大きく分けてビーム法と蓄積法の 2 種類がある 手法 Beam Penning trap Gravitational trap Magnetic trap 中性子源原子炉原子炉原子炉原子炉 エネルギー冷中性子冷中性子超冷中性子超冷中性子 測定粒子電子陽子中性子中性子 メリット flux monitor low background small correction no wall loss デメリット high background flux monitor wall effect depolarization 結果 878 ± 27 ± 14 (1989) 2012 年 Particle data group ± 1.2 ± 3.2 (2005) ± 0.7 ± 0.3 (2008) 878 ± 1.9 (2009) ビーム法と蓄積法で有意なずれ 14

16 いろいろな中性子寿命測定 大きく分けてビーム法と蓄積法の 2 種類がある 手法 Beam Penning trap Gravitational trap Magnetic trap 中性子源原子炉原子炉原子炉原子炉 エネルギー冷中性子冷中性子超冷中性子超冷中性子 測定粒子電子陽子中性子中性子 メリット flux monitor low background small correction no wall loss デメリット high background flux monitor wall effect depolarization 結果 878 ± 27 ± 14 (1989) 2013 年 Particle data group 8.4 sec (3.8σ) ± 1.2 ± 3.2 (2005) ± 0.7 ± 0.3 (2008) 878 ± 1.9 (2009) 15 ビーム法と蓄積法で有意なずれより顕著に! 独立で高精度な測定が必要

17 Neutron lifetime experiment at J-PARC

18 J-PARC における中性子寿命実験 : 測定手法 中性子崩壊からの電子と 3 He(n,p) 3 H 反応を比較することで 寿命を精度よく求める 目標精度 ~0.1% 先行実験 kossakowski,1989 検出器として 4 He-CO 2 gas + 100mPa 3 He を使った Time projection Chamber を用いる 中性子 n e - p ~0.4 kev ~350keV ν N e ε etρn = τ n ~10-6 decay/m n 1 N τ n = N e p p 572 kev / ε e / ε p ρ 3 He σ 3 He 3 He 190 kev 中性子崩壊数も 3 He(n,p) 3 H 反応数も 1/v に比例するので 速度には依存しない 3 H ( v0 ) v0 N = ε tρ ρ 3 σ 3 p p n He He ( v ) ( vn ) vn σ 3He( v0 ) 0 σ = 3He v n 断面積は 1/v に比例 βdecay は 3.9mPa に相当 N e, N p : Electron and proton counts ε e, ε p : Detection efficiencies ρ 3He : Atom density of 3 He v 0 : 2200 m/s σ 3He (v 0 ) : Cross section of 3 He(n,p) 3 H at 2200m/s 17

19 J-PARC からのパルス中性子をバンチ化する パルス中性子をスピンフリップチョッパーを用いてチョップすることにより等速度の中性子バンチを作る 中性子が TPC 内に完全に入っているときの計数を使うことにより ビーム領域を完全に定義できる 遮へい TPC 内の中性子バンチからの電子をカウントする 偏極中性子ビーム e - E スピンフリッパー立ち上がり O(10µs) 偏極中性子スーパーミラー 真空窓 (Zr) p ビームキャッチャー 3 He- 4 He-CO 2 TPC (ε > 99.9%) 1m 18

20 Beamline: J-PARC BL05

21 J-PARC Tokai Japan MLF

22 J-PARC 物質生命科学実験施設 Proton 加速器 3GeV-1MW ( デザイン ) のパルス中性子源 陽子ビームを液体水銀ターゲットに照射し 核破砕反応を起こす 1 陽子あたり 20 個程度の中性子が発生 核破砕によって発生した中性子はモデレーターで 50K 程度まで冷却され 23 本ある各ビームラインに輸送される

23 J-PARC 物質生命科学実験施設 MLF 実験施設第一実験ホール BL05 ビームライン Φ n ~ 10 9 /cm 2 /sec/mw (Coupled moderator) BL05 for Fundamental physics

24 BL05 - the NOP beamline at J-PARC/MLF Performance of BL05 Beam line 7m 4m Beam flux at 1MW n/cm 2 /s (23mrad x 9mrad) n/cm 2 /s (11mrad x 9mrad) n/µstr/cm 2 /s 2008 年 12 月より稼働

25 Setup Set up of our experiment in NOP beam line. 20 cm Iron shield Spin Flip Chopper In a Lead Sheald TPC in the vacuum chamber Inside of Lead shielding Inside of Cosmic ray Veto TPC in a Vacuum chamber Gas line DAQ 24

26 Details of setup (Spin Flip Chopper) source RF coil Magnetic Mirrors 20m TPC RF coil m=5 Magnetic supermirror Resonance flippers flip the neutron spin. Magnetic supermirror reflects only nonflipped neutrons. Flipper1 Flipper2 Magnetic mirrors1&2 Lead shield (10cm) Guide coil(1mt) Magnetic mirrors3 5 bunches injected contrast ~400:1 25

27 Details of setup (Time Projection Chamber) We developed the TPC which has a low background count rate and a high efficiency for β-rays. Beam catcher MWPC MWPC n Beam Entrance Drift cage Drift direction PEEK frame 30 cm Anode wire 29 of W-Au wires(+1750v) Field wire 28 of Be-Cu (0V) Cathode wire 120 of Be-Cu (0V) Drift length 30 cm (-9000V) Gas mixture He:CO2=85kPa:15kPa TPC size(mm) 300,300,970 High efficiency detection for both of β-decay and 3 He reaction PEEK frame & inner 6 Li wall suppress BG. S/N ~ 1:1 26

28 Details of setup (Spin Flip Chopper) source RF coil Magnetic Mirrors 20m TPC RF coil m=5 Magnetic supermirror Resonance flippers flip the neutron spin. Magnetic supermirror reflects only nonflipped neutrons. Flipper1 Flipper2 Magnetic mirrors1&2 Lead shield (10cm) Guide coil(1mt) Magnetic mirrors3 5 bunches injected contrast ~400:1 27

29 chronological table 嶋 TPC G10-TPC PEEK-TPC Design the G10-TPC Development of software (Analysis framework, Geant4) Material test (PEEK) Design the PEEK TPC, (Low noise Amp) BG survey Development of DAQ system TPC Basic properties test Data taking2012 (commissioning) Upgrade of analysis framework for physics run Design and development of DAQ system Analysis for commissionin g data Design and development of Large SFC Design and development of Large TPC LARGE PEEK-TPC Beam intensity is estimated to be 18 times. Commissioning for the new system First detection of 3He(n,p) reaction SFC shielding upgrade Measurement of Beam profile Data Taking 2014 Data taking for 1sec level First detection of e first beam accept at Neutron β-decay the NOP Beam line MLF Power 20 kw 100 kw 200 kw Earthquake 200 kw 300 kw Accident of hadron hall Today 300 kw 600 kw? Increasing size the Spin Flip Chopper is planed at 2014/2015. Intensity will be 18 times by a designed value. We will start physics run to 1sec at 2016/

30 まとめ 近年の WMAP/Planck の CMB 観測から BBN の精密測定により初期宇宙 (~1sec) を探索できる可能性が出てきた 天体観測 (Y p ) の値は解析方法に大きく依存 そのためには中性子寿命をしっかり決める必要がある 現在は測定手法により 8.4sec(3.8σ) のずれ Li 問題は重要な未解決問題である J-PARC/MLF/BL05 で 1 秒の精度を目指した中性子寿命実験を遂行中 29

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