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20-40MeV 領域における 4 He 光分解断面積

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20-40MeV 領域における 4 He 光分解断面積

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  1. 「少数粒子系物理の現状と今後の展望」研究会 2008年12月23日-25日@RCNP 20-40MeV領域における4He光分解断面積 • Introductionは省きます • データの現状 • 実験のキーポイント~何が精度を決めるか • 28~38MeVでの新しい結果@ニュースバル(兵庫県立大) • まとめ+今後の展望 大阪大学 核物理研究センター 嶋 達志

  2. Collaborators H. Utsunomiya, H. Akimune Department of Physics, Konan University Y. Nagai Nuclear Science and Engineering Directorate, Japan Atomic Energy Agency T. Mochizuki, S. Miyamoto, K. Horikawa Laboratory for Advanced Science and Technology for Industry, University of Hyogo M. Fujiwara Research Center for Nuclear Physics, Osaka University T. Hayakawa, T. Shizuma Kansai Photon Science Institute, Japan Atomic Energy Agency

  3. Previous works; 4He(g,p)3H & 3H(p,g)4He (detailed balance) PRC72, 044004 (2005) ◆ Gorbunov 62 ▼ Arkatov 78 ▲ Bernabei 88 ■ Hoorebeke 93 + Gardner 62 × Gemmell 62 ◇ Meyerhof 70 △ McBroom 82 ▽ Calarco 83 ○ Feldman 90 □ Hahn 95 ビーム、検出器が同じ    Perry&Bame1955にnormalize    同一グループ

  4. Previous works; 4He(g,n)3He & 3He(n,g)4He (detailed balance) ◆ Gorbunov 62 ▲ Berman 71 ■ Malcom 73 ▼ Irish 73 ● Nilsson2005 △ Ward 81 ○ Komar 93

  5. Photodisintegration of 4He have been studied by means of monochromatic g, bremsstrahlung, radiative capture...

  6. 実験のキーポイント

  7. 3H(p,g)4He g-ray spectrum (Perry & Bame, PR99, 1368 (1955))

  8. Energy distributions of bremsstrahlung photons Bremsstrahlung, Annihilation g Energy spectrum of photo-proton (Si半導体検出器) e-, e+ e-,e+ +proton ※ Tp =6MeV  Eg =24MeV

  9. Laser Compton-scattered g-ray ;(GSO scintillator spectrum)

  10. Lund-Glasgow experiment ; 4He(g,n)3He Nilsson et al., PLB626, 65 (2005), PRC75, 014007 (2007) MAX-lab Tagged photon + Liquid He target + Neutron TOF Radiator Liq. He target g e- n Tagger Magnet Liq. scintillator

  11. GEANT3 simulation : Detection threshold : En=4.5MeV Attenuation-1 Eg = 26MeV Scattering Detection Efficiency

  12. キーポイント: 系統誤差を抑える 断面積 Yp : 反応イールド Yg : ガンマ線計数 ep : 反応イベントの検出効率 eg : ガンマ線光子の検出効率 N4He : 標的4He核密度 • バックグラウンド(ガンマ線、中性子、電子)の発生量を減らす Yp, Yg • 入射ガンマ線光子の個数を正しく数える  Yg • 有効ターゲット厚を正確に決める  N4He • 検出効率のあいまいさを抑える  ep, eg • 残留バックグラウンドを正確に識別・除去する  Yp

  13. 実験上の工夫: • バックグラウンド(ガンマ線、中性子、電子)の発生量を減らす Yp, Yg  順反応を測定、単色ガンマ線を使用 • 入射ガンマ線光子の個数を正しく数える  Yg        薄いターゲットを使用、ガンマ線強度をリアルタイムに測定 • 有効ターゲット厚を正確に決める  N4He        ガスターゲットを使用、反応点の位置を測定 (event by event) • 検出効率のあいまいさを抑える  ep, eg  100%の検出効率で測定 • 残留バックグラウンドを正確に除去する  Yp        反応生成物に対して粒子識別をおこなう、         反応粒子の発生点、エネルギー、運動方向をすべて観測 • Consistency のチェック

  14. Experiment with quasi-monochromatic gat NewSUBARU Laser Compton-scattered g-ray : Eg = 16 ~ 40MeV, Fg~4×104 /sec, FWHM~9%, P~100%

  15. Time Projection Chamber T. Kii, T. Shima, T. Baba, Y. Nagai, NIM A552 (2005) 329 Target gas : He + CH4 (CD4) ·W ~ 4 ,  100% ; high efficiency · track shape, dE/dx  event ID, ds/dW, asymmetry

  16. Systematic errors ep (detector efficiency) = 98 ~ 99% de = 1 ~ 2% N4He (target thickness) ; dN = 1% ( effective volume ~ 1%, gas density << 1% ) Fg (g-ray flux) ; dFg ~ 2% TOTAL ~ 4%

  17. Measurement of g-ray intensity with pile-up analysis BGO pulse-height spectrum (eg > 99.8%) pulse rate; fpulse = 10kHz pulse width ; <10ns Fg = 3000~104 /sec BGO ; f2”×6” shaping time ; 1ms # of photons per pulse → Poisson distribution Multiplicity Nphoton ; Fg = Nphoton× fpulse dFg / Fg ~ 2%

  18. 一光子応答関数とポアソン分布の組み合わせによるパイルアップ解析(例)一光子応答関数とポアソン分布の組み合わせによるパイルアップ解析(例) (レーザー0.5W) (レーザー1.5W)

  19. カイ二乗フィッティングによる平均光子数Nphotonの決定精度カイ二乗フィッティングによる平均光子数Nphotonの決定精度 Nphoton = 5.26±0.10 (±1.9%)

  20. Target thickness (N4He) = Gas density (r) × TPC effective length (L ) Gas density (r)  Pressure (P ), Temperature (T ) dP = 0.5 Torr at 1000 Torr (0.05%) dT = 1 K at 300 K (0.3%) Time variation (10000s) : Dr/r < 0.05% dr/r (absolute) = 0.3 %

  21. Distribution of vertex position in drift direction (= g-ray beam direction) (z-coordinate) dL ~ 2 mm  dL/L ~1%  dN/N ~1 %

  22. Event Selection • Vertex position ; true  background • Number of tracks ; (g,p)  (g,n)  (g,2a) • Track length ; p, d, 3He, 4He 11B, 11C • dE/dx ; p, d  3He, 4He • Track angle ; two-body decay  multi-body decay

  23. 4He photodisintegrations 4He(g,p)3H 4He(g,n)3He

  24. 12C photodisintegrations 12C(g,p)11B 12C(g,n)11C

  25. Three-body decays 4He(g,pn)2H 12C(g,2a)4He

  26. D(g,n)p

  27. Pulse Height Spectrum 4He(g,n)3He 4He(g,p)3H 12C(g,p)11B 12C(g,n)11C

  28. 4He(g,p)3H (preliminary) ● RCNP-AIST2005 (PRC72, 044004); l=351nm (3rd), Ee=0.8GeV ● RCNP-NewSUBARU; l=532nm (2nd), Ee=0.97GeV ● RCNP-NewSUBARU; l=1064nm (fund.), Ee≤1.46GeV ○RCNP-NewSUBARU; l=532nm (2nd), Ee=1.06GeV ● RCNP-AIST2005 (PRC72, 044004); l=351nm (3rd), Ee=0.8GeV ● RCNP-AIST2005 (PRC72, 044004); l=351nm (3rd), Ee=0.8GeV

  29. 4He(g,n)3He (preliminary) ● RCNP-AIST2005 (PRC72, 044004); l=351nm (3rd), Ee=0.8GeV ● RCNP-NewSUBARU; l=532nm (2nd), Ee=0.97MeV ● RCNP-NewSUBARU; l=1064nm (fund.), Ee≤1.46GeV ○ RCNP-NewSUBARU; l=532nm (2nd), Ee=1.06GeV ● Lund 2005-2007 (PRC75, 014007); tagged photons

  30. 4He(g,pn)d(preliminary)

  31. D(g,n)p (preliminary) Not for normalization, just fire insurance!

  32. Consistency Eg ∝ Elaser· Ee2 • 3つの異なるガンマ線発生条件で、同一エネルギーでは断面積が一致。 • 800MeV e- + Nd:YLF 351nm (第3高調波) (産総研) • 976MeV e- + Nd:YVO4 532nm (第2高調波) • 1.46GeV e- + Nd:YVO4 1064nm (基本波) • 同一エネルギーにおいて、2つの異なるTPC検出器での測定結果が一致。 • 同時測定による 4He(g,p)3H, 4He(g,n)3He 断面積が一致。(荷電対称) • 同時測定による D(g,n)p 断面積が既存のデータ、理論計算と一致。 (ニュースバル)

  33. Comparison with theory : 4He(g,n)3He ●○ RCNP-AIST ●●○ RCNP-NewSUBARU ●Lund 2005-2007 Trento (Lorentz-Integral-Transform) ; PR C69 044002 (2004) Bonn (Faddeev-AGS) ; NP A631 210c (1997) Londergan-Shakin (C.C. Shell Model) ; PRL28 1729 (1972)

  34. まとめ&今後の展望 • 2ヶ所の実験施設/3種類のビーム発生条件/2種類の検出器 で、   コンシステントな結果が得られた。 • ピークエネルギーは30~33MeV付近 • 最近の少数多体計算とは一致しない。(3Heも?) • 2000年以降、実験は2つ、理論計算は1つしか公表されていない。 • 今後の展望: • 4He; Eg=26MeVのデータを解析中。また、角度分布 (q,f)の導出を計画中。 • データの不一致の原因を追究 ; MAX-lab および甲南大との相互協力 • 3He光分解を広いエネルギー範囲で測定 ;  ニュースバルの電子エネルギー範囲を 1~1.5GeVから 0.78~1.5GeVに拡張    ⇒ Eg = 10.7~39MeV での測定が可能に。

  35. Strategy Photon beam: Tagged photon Backscattered-g Detection method: Neutron detection Charged-particle detection

  36. NewSUBARU LCS-g + Detector for (g,n) (Konan Univ.) 4p neutron counter Beam dump (NaI(Tl) detector)

  37. 3He photodisintegration cross sections ● RCNP-AIST Naito et al. PR C73 034003 (2006) Theory: Faddeev 二体力のみ 二体+三体 LIT 二体+三体

  38. Angular distributions; 4He(g,p)3H@32MeV f q

  39. p-3H angular correlation Eg(max) =32MeV

  40. Energy calibration (measured with Ge) Pulse Height spectra of 45% Ge-detector Eg vs P.H. (P.H.) dEg = 0.7MeV at 33MeV standard source

  41. Energy distribution NaI(Tl): 6”f×5” Collimator: f3mm

  42. Interval of drift time signals

  43. 4He(g,n)3He / D(g,n)p ; Energy loss spectra