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 Kratz (2004)

s-process

「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

SN元素合成: 1秒 <=> 太陽の燃焼：数十億年 高温、高密度

不安定核�

初期宇宙�

2008 立教

12C

13N

14O

13C

14N

15O

15N

16O

17F

18Ne

17O

18F

19Ne

20Na

21Mg

22Al

23Si

18O

19F

20Ne

21Na

22Mg

23Al

24Si

21Ne

22Na

23Mg

24Al

25Si

22Ne

23Na

24Mg

25Al

26Si

rp-process

(hot) CNO cycle

BreakOut ofHot-NeNa Cycle ?

hot-NeNa cycle22Na production2222Na productionNa productionGomiGomi et al.: poster

-- 原子核反応率測定 --�不安定核 <=> RI* ビーム

直接測定：収量小 間接測定：収量大

例）�

rp 過程 　　hot-NeNa サイクルからの脱出？ 　　22Na（宇宙 γ 線源）の生成

* Radioactive Isotope （放射性同位体　= 不安定核）

クーロン分解法�ANC 法、トロイの木馬法

2008 立教

Proton

7Be

208Pb

8B

周波数� ~ 光子エネルギー (E=hν)

光子強度

Emax(b) b

フーリエ変換

Ein : Emax

b : Emax

入射粒子が「感じる」電場

光分解 Fermi (1930’s) Bertulani, Baur, Rebel (1986)

2008 立教

8B+208Pb -> 7Be+p+208Pb (クーロン分解) 仮想光子理論 / DWBAなど 8B(γ,p)7Be (光分解) 「個別釣り合い」 - 逆反応 7Be(p,γ)8B (放射捕獲)

大きな断面積 厚い標的（中間エネルギービーム） RI ビームによる実験

8 B

2 0 8 P b

7 B e

p

仮想光子

= 非束縛状態へのクーロン励起

2008 立教

個別釣り合い (detailed balance)

仮想光子数

厚い標的が使える 荷電粒子検出 γ 線

間接的なので�核力励起が心配 / 高次効果が心配 / 仮想光子は光子と異なる�� � � � � �E2成分......

σ( γ , p) =(2 j7 +1)(2 j1 +1)

2(2 j8 +1)k172

kγ2 σ (p,γ )

dσdEγ

⎛

⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟ C.D.

= nEγ

σ (γ ,p )

100 ~ 1000 倍得

100 ~ 1000 （中間エネルギー）

クーロン分解では、実験の収量が大きい

しかし

2008 立教

dσdEγ

⎛

⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟ C.D.

= nEγ

σ (γ ,p )

仮想光子数 n�

入射エネルギー�

中間エネルギーでは仮想光子数は多い�

2008 立教

ΔJ Δπ 1 + M1 1 - E1 2 + E2 2 - M2 ………..�

Δπ = (-1)ΔJ なら　　E Δπ = -(-1)ΔJ なら　　M

E とか�M とか …

ΔJ �

「光子の角運動量」 - 多重度�「電気的」と「磁気的」�

2008 立教

クーロン > 核力 クーロン ~核力

l = 1 l = 2

2008 立教

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

例）�8B のクーロン分解@ RIKEN �� � � � �~�50 MeV/nucleon

DALI

HODO

サイクロトロンからの�一次ビーム�

生成標的�Be などの板�

RI ビーム�（８Bなど）�

プラスチックシンチレータ ホドスコープ�

二次標的（鉛の板）�

2008 立教

RIPS @RIKEN

DALI – NaI(Tl) シンチレータ�(γ 線)

ホドスコープ – プラスチックシンチレータ� (荷電粒子)

2008 立教

Erel <= pp, p7Be, θp-Be

ΔErel : ΔEinとは独立

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%

「逆運動学」では�ビームの質が悪いことが励起エネルギー測定に影響を与えない

2008 立教

140

120

100

80

60

40

20

0

S 17 (

eV-b

)

300025002000150010005000Ecm (keV)

7Be(p,γ)8B

RIKEN-I (94)

RIKEN-2 (98)

“M1” 共鳴には鈍感

1+ (M1)

8B�のクーロン分解（立教グループ）

7Be(p,γ)8B�

2008 立教

7Bep

8B

target208Pb

4×Si

2×MWPC30×plastic

Q-pole

Dipole

ReturnYoke

KaoS spectrometer

microstrip

RIKEN

@ GSI（ドイツ） 254 MeV/nucleon

Germany-Japan collaboration

二次標的�

平行平板なだれ検出器�

シリコン半同定検出器�

多重芯線比例計数管�

2008 立教

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.410

15

20

25

30

35

40

45

Descouvemont (MN*0.84) Typel*0.82

GSI-II (previous) GSI-I Davids Kikuchi GSI-II (actual)

S17 [e

V-b

]

Ecm [MeV]

S17 - Factor

RIKEN

Ogata et al. (CDCC) E1/E2/nucl. interference

Schuemann et al. 2005

extension: RIKEN: hot CNO, hot pp, rp GSI: 6Li

2008 立教

S17 at E=0

RIKEN-1 RIKEN-2

GSI-1

GSI-2 MSU

Beijing

TAMU-1 TAMU-2

Ogata et al. (2003)

クーロン分解�

2008 立教

stellar 22Mg(p,γ)23Al reaction

23Al の第一励起（共鳴）状態を経由する 共鳴吸収反応

Level structure

Strength ∝　Γγ theoretical prediction

NO measurement !

クーロン分解法 (Nova)

新星（X 線バースト）でもガモフのピーク付近

2008 立教 反応率：σmaxΓ <= Γγ

共鳴 - Breit-Wigner の公式

p + A => B* => γ + B

p + A B

B*

ω =2IB* +1

(2Ip +1)(2IA +1)

=2IB* +12(2IA +1)

ω : スピンファクター�

σ (p,γ ) = π2ωΓpΓγ

(E − E0 )2 + 14Γ2

= 4π2ωΓpΓγ

Γ2 at E = E0

≈ 4π2ωΓγ

Γ if Γp ≈ Γ >> Γγ

=>�

2008 立教

σ (p,γ ) ≈ 4π2ωΓγ

Γ at E = E0 if Γp ≈ Γ >> Γγ

巾が十分狭ければ ……

σv ∝ E0 exp −E0kT

⎡⎣⎢

⎤⎦⎥π2ω dE

ΓpΓγ

(E − E0 )2 + 1

4Γ2

∫

∝ωΓγ exp −E0kT

⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

共鳴を経由する場合の核反応率�

2008 立教

12C

13N

14O

13C

14N

15O

15N

16O

17F

18Ne

17O

18F

19Ne

20Na

21Mg

22Al

23Si

18O

19F

20Ne

21Na

22Mg

23Al

24Si

21Ne

22Na

23Mg

24Al

25Si

22Ne

23Na

24Mg

25Al

26Si

rp-process

(hot) CNO cycle

BreakOut ofHot-NeNa Cycle ?

hot-NeNa cycle22Na production2222Na productionNa productionGomiGomi et al.: poster

rp 過程 　　hot-NeNa サイクルからの脱出？ 　　22Na（宇宙 γ 線源）の生成

クーロン分解法�ANC 法、トロイの木馬法

2008 立教

23Al 50AMeV

Silicon telescope

22Mg

p

2.5m 0.5m

1m

Plastic Hodoscope

15c

m

Experimental Setup - RIKEN RIPS beamline -

Position-sensitive （5mm width strips）

・ suitable detectors for each particle ・ momentum vector ・ γ-ray detector (to confirm the final state)

NaI(Tl) detector (de-excitation γ-ray from 22Mg)

Pb target 87mg/cm2

2008 立教

Silicon telescope

Z=15

Z=14

Z=13

Z=12

Particle identification in Si-telescope and pl. hososocope

He

H

2008 立教

(1/2+)

23Al + 208Pb => 22Mg + p + 208Pb 50 MeV/nucleon

(3/2+)

Coulomb dissociation - 104 pps 23Al

22Mg-p relative energy [MeV]

Direct (S=constant)

1012 pps 22Mg ! + 1H

7.2 (1.4) x10-7 eV

2008 立教

Cosmic γ-emitter

Ne nova M.Wiescher et.al. Phil. Trans. R. Soc. Lond. (1998)

Astrophysical implication

0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 T [GK]

106

104

102

100

ρ [g/cm3]

βdecay is favored rather than (p,γ) reaction

Which?

22Mg(p,γ)23Al

Nucleosynthesis in explosive hydrogen burning (Novae, X-ray bursts)

our experimental data →　reaction rate → competition with βdecay

Nova Model M1 : J.Jose et al Astrophys. J. 520 347 (1999)

M2 : C. Iliadis et.al. Astrophys. J. Supp. 142 105 (2002)

Sep. 2007 Santa Tecla

2016

3050

26Si(p,γ)27Pl

M1+E2

Togano, thesis Rikkyo U. (2007)

2008 立教

2008 立教

ΔErel ≈ 2 A1A2

A1 + A2

T0Erel Δχ

Δχ = Δθ, Δv / v ΔErel=200 keV

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

Δθ=0.5 deg. Δv=1%

宿題第2回�

授業第10回で議論した分解反応の終状態の相対エネルギー分解能に関する以下の結果を確かめよ。 �示した近似式を導く（方法1）、または、 �いくつかの場合について実際に数値的に計算してみる（方法2）�

まず、pp, p7Be, θp-Be （p と 7Be の放出角の差）から相対エネルギーを求める必要があるが、相対論的に計算しても、非相対論的近似を行ってもかまわない。 �

段階1：相対エネルギー�� 〆切：7 月 4 日�段階2：分解能の議論�� 〆切：7 月 11 日�段階3：完成（必要なら） 7 月 11 日に解説 最終〆切（mail）：7 月末�