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みさきしげまつ
4 years ago
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1 原子核物理学 8. 中性子過剰核平成 20 年度原子核物理学 1

2 核図表存在すると予想される核種約存在が確認された核種約安定な核種 207 ほとんどの不安定核は中性子過剰核 r-process (rapid neutron capture) 超新星爆発における爆発的元素合成中性子捕獲反応とベータ崩壊の競争重要な役割を果たす waiting point の原子核は中性子数が魔法数である中性子過剰核平成 20 年度原子核物理学 2

3 p-sd 殻核 N = 8 平成 20 年度原子核物理学 3

4 入射核破砕反応 RI Beam (Radioactive Isotope Beam) 安定な原子核 ( 入射核 ) を加速安定な標的核との原子核反応入射核から陽子や中性子を剥ぎ取って不安定な原子核をつくる欲しい不安定な原子核を選び出す ( 電荷, 質量の違いを利用 ) 不安定核のビーム : 安定な標的核との反応核力 ( 強い相互作用 ), 電磁相互作用平成 20 年度原子核物理学 4

5 中性子過剰核における新しい現象の発見従来良く研究されてきた安定な原子核やベータ安定線に近い原子核では見られなかった現象 1. 中性子ハロー 2. 異常に小さい電気四重極遷移確率平成 20 年度原子核物理学 5

6 11 Li : 異常に大きい半径 Interaction cross sections and nuclear radii I. Tanihata et. al, Phys. Rev. Lett. 55, 2676 (1985) 11 Li 安定核の半径は上の式によると平成 20 年度原子核物理学 6

7 11 Li : 中性子ハロー Transverse momentum distributions of 9 Li fragments from 11 Li + C T. Kobayashi et. al, Phys. Rev. Lett. 60, 2599 (1988) 8 He 11 Li 11 Li から剥ぎ取られた 2 個の中性子 11 Li 内での運動量分布幅の広い成分通常の原子核とほぼ同じ幅の狭い成分非常に狭い幅空間的な広がり Interaction cross section の実験結果とも一致ハロー (halo) 平成 20 年度原子核物理学 7

8 Woods-Saxon ポテンシャルによる計算相互作用の強さを微調整して小さな束縛エネルギーをもつ 1 粒子状態をつくる 1 粒子波動関数を Gauss 基底で展開 11 Li の中性子密度分布 s 1/2 軌道に中性子が入るとハローが作られる平成 20 年度原子核物理学 8

9 実験的検証 H. Simon et al., Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 496 平成 20 年度原子核物理学 9

10 Soft Dipole Resonance T. Kobayashi et al., Phys. Lett. 232B (1989) 51 通常の原子核では, 陽子と中性子が逆位相で振動する GDR 高い励起状態に励起強度が集中する中性子過剰核では,GDR の他に, 弱く束縛した中性子と, 他の核子の集団とが逆位相で振動する振動を起こす復元力は弱く, 従って, 励起エネルギーは小さい平成 20 年度原子核物理学 10

11 Soft Dipole Resonance T. Nakamura et al., Phys. Rev. Lett. 96 (2006) Li の基底状態からの電気双極型励起強度 B(E1) 分布黒丸が実験値実線が理論値励起エネルギー 0.3 MeV 付近に, 強い E1 型励起が見られる通常の GDR は系統性から考えると 25 MeV 付近平成 20 年度原子核物理学 11

12 ハロー核 11 Li 平成 20 年度原子核物理学 12

異常に小さい電気四重極遷移確率偶々核の低励起 2 + 状態のエネルギーと, 基底状態から 2 + 状態への電気四重極遷移確率には強い相関がある : E(2 + ) が小さいほど B(E2;0 + 2 + ) が大きい 16 C 16 C の B(E2)

13 異常に小さい電気四重極遷移確率偶々核の低励起 2 + 状態のエネルギーと, 基底状態から 2 + 状態への電気四重極遷移確率には強い相関がある : E(2 + ) が小さいほど B(E2; ) が大きい 16 C 16 C の B(E2) は系統性から期待される強さの 1/30 程度 N. Imai et al., Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 後に, 別の実験が行われ, 実験値は 4 倍くらい大きくなったが, それでも,B(E2) は異常に小さい平成 20 年度原子核物理学 13

14 ホウ素同位体の電気四重極モーメント H. Izumi et al., Phys. Lett. B366 (1996) 51 H. Ogawa et al., Phys. Rev. C67 (2003) 安定核領域と比べて, 中性子の有効電荷が小さくなっているようである平成 20 年度原子核物理学 14

15 E2 有効電荷 (sd-shell) B.A. Brown and B.H. Wildenthal, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 38 (1988) 29 安定核領域で典型的な値有効 E2 演算子行列要素 e p と e n を 2 つのパラメータとして, 実験データをより良く再現するように決める有限な模型空間内の殻模型計算では, 模型空間外との結合の効果として, 中性子も有限な電荷をもつとする平成 20 年度原子核物理学 15

16 E2 有効電荷 (psd-shell) (a) H. Sagawa and K. Asahi, Phys. Rev. C63 (2001) Hartree-Fock + Random Phase Approximation 計算パラメータ化偏極電荷 (Polarization charge) (b) Bohr and Mottelson, Nuclear Structure (c) T. Suzuki, H. Sagawa and K. Hagino, PR C68 (2003) C の場合 (a) (b) (c) 平成 20 年度原子核物理学 16

17 中性子ハローは何を示唆するのかハローは中性子が s 1/2 軌道を占めるときに現れる 11 Li の実験データも,2 個の中性子が p 1/2 と s 1/2 に同程度の確率で入っていることを示している安定核における 1 粒子エネルギー一方, 安定核では, p 1/2 軌道と s 1/2 軌道の間には大きなエネルギーの間隔がある ( 右図 ) N = 8 が魔法数 11 Li 以外にも, 6 He (N=4), 8 He (N=6), 11 Be (N=7) でハローが見られる 9 He は非束縛系であるが, 最も低い状態は s 波状態である中性子過剰核では N = 8 は魔法数ではないのか? 平成 20 年度原子核物理学 17

18 N = 7 同調体 (isotones) N = 8 平成 20 年度原子核物理学 18

19 11 Be のベータ崩壊 Beta decay of 11 Be D.H. Wilkinson and D.E. Alburger Phys. Rev. 113, 563 (1959) ½- or ½+ 大きな Q-value Q = 11.5 MeV を考慮すると, 半減期が長い T 1/2 = 13.6 sec 11 Be は N = 7 であり, 普通に考えれば, 最後の中性子は p 1/2 軌道を占め, 基底状態は 1/2 となる 11 Be の基底状態が 1/2 ならば, ベータ崩壊は Gamow-Teller 型 ( 許容遷移 ) であり, 半減期はもっと短いはずである最後の中性子は s 1/2 軌道を占め, 基底状態は 1/2 + なのか? 平成 20 年度原子核物理学 19

20 N = 7 核の 1/2 + と 1/2 状態 Order of levels in 11 Be I. Talmi and I. Unna Phys. Rev. Lett. 4, 469 (1960) 安定核における 1 粒子エネルギー N = 8 は魔法数ではない平成 20 年度原子核物理学 20

21 中性子過剰核における魔法数の消失中性子過剰核において, 安定線近傍核で見られた魔法数 N = 8, N = 20 が消失する中性子分離エネルギー ( 右図 ) 同じ T z = 2(N-Z) をもつ原子核を線で結んである魔法数のところで, 中性子分離エネルギーは小さくなる Monopole 相互作用の役割平成 20 年度原子核物理学 21

22 Island of inversion 中性子過剰核では N = 20 も魔法数ではないらしい E. K. Warburton et al., Phys. Rev. C 41, 1147 (1990). 平成 20 年度原子核物理学 22

23 魔法数の消失はどう理解できるのか中性子過剰核で N = 8 の魔法数が消失する機構は何か? 中性子過剰核で特殊な現象が現れているのか? ベータ安定線近傍核で得てきた我々の知識では説明できないのか? N = 8 の魔法数は p-shell と sd-shell の間にエネルギーギャップが存在することによって現れるそれならば, 中性子の一粒子エネルギーの変化を調べ, ギャップが消失しているか確かめればよい中性子過剰核で見られる現象が統一的に理解できるか? 11 Li の基底状態の波動関数 (p 1/2 と s 1/2 の混合 ) He 同位体, 19 C などのハロー電気四重極遷移における中性子の小さな有効電荷平成 20 年度原子核物理学 23

24 一粒子エネルギー実験データから求めることもできるが, たとえば, 11 Li の基底状態から中性子を pick-up する際の一粒子強度分布, 11 Li の基底状態へ中性子を stripping する際の一粒子強度分布の両方のデータが必要理論的には A. Umeya and K. Muto, Phys. Rev. C69 (2004) 中性子移行強度分布を考慮に入れて定式化任意の原子核の任意の状態に対して一粒子エネルギーが計算できる従って, 一粒子エネルギーの変化について定量的な議論が可能平成 20 年度原子核物理学 24

25 N = 7 核の一粒子エネルギー G. Kaneko et al., submitted to Phys. Rev. C psd-shell model SFO 相互作用 : Suzuki et al., Phys. Rev. C63 (2003) 平成 20 年度原子核物理学 25

26 p 1/2 と s 1/2 の一粒子エネルギーの差 s 1/2 の一粒子強度が分散 p 1/2 の一粒子強度は集中 11 Be の基底状態は J π = 1/2 + であるが 1 粒子エネルギーには大きなギャップがある平成 20 年度原子核物理学 26

27 中性子ハローハローの条件 : s 1/2 の束縛エネルギーが小さく, そこに中性子が入る陽子 - 中性子相互作用は平均として強い引力であり, 同種粒子間の相互作用は平均として弱い陽子数が等しい同位体の中では, 中性子の一粒子エネルギーはほとんど変化しない He,Li では p 1/2 と s 1/2 がほぼ縮退 11 Li では p 1/2 と s 1/2 両方を占める B,C では s 1/2 と d 5/2 がほぼ縮退し中性子の一部は s 1/2 に入る平成 20 年度原子核物理学 27

28 1 粒子エネルギー Monople 相互作用の分解中心力の Triplet-Even での強い引力が支配的 Triplet-Even は S = 1 の陽子 - 中性子相互作用 Triplet-Even の引力中心力 + テンソル力の 2 次の効果平成 20 年度原子核物理学 28

29 行列要素電気四重極遷移の有効電荷有効電荷をパラメータとしてではなく, 理論的に計算する A. Umeya, G. Kaneko and K. Muto, submitted to Phys. Rev. C は模型空間での行列要素, 励起状態との結合を摂動で計算する陽子の有効電荷灰色部分が, 陽子の励起中性子の有効電荷平成 20 年度原子核物理学 29

30 炭素同位体の電気四重極遷移 B(E2) 16 C 実験値理論値 : 現象論的有効電荷ではでは理論値 : 摂動計算陽子の寄与は小さく, 中性子の有効電荷が小さい平成 20 年度原子核物理学 30

31 N > 8 核における中性子の集団性では陽子と中性子が同じような集団性をもつではほぼ縮退した s 1/2, d 5/2 軌道に中性子が入り大きな集団性をもつ陽子と中性子の decoupling 平成 20 年度原子核物理学 31

32 Bubble Nuclei E. Khan et al., Nucl. Phys. A800 (2008) 37 中性子過剰な Ar 同位体では, 1s 1/2 軌道が 0d 3/2 軌道より上になり, 1s 1/2 軌道を陽子が占めない状態が出現する可能性がある原子核の中心部で密度 ( 存在確率 ) を持つのは s 軌道であり, 1s 1/2 軌道が空いているため, 中心部分の密度が小さい bubble 核が作られる平成 20 年度原子核物理学 32

PowerPoint プレゼンテーション

PowerPoint プレゼンテーション GPPU 宇宙創成物理学概論 2017.5.9 r- プロセス元素合成と中性子過剰核萩野浩一物理学専攻原子核理論研究室 1. 重元素の合成 : s- プロセスと r- プロセス 2.r- プロセスと原子核物理 - 核図表 - β 崩壊 - 魔法数 3. 中性子過剰核の物理 4. まとめ元素の周期表 Nh Mc Ts Og 地球上のすべての物質は元素からできているどのようにして出来たのか ( 元素合成