素・核実験

原子核理学

教員

教授/大西 宏明 教授/濱 広幸 教授/須田 利美 HP
准教授/柏木 茂 准教授/村松 憲仁 准教授/日出 富士雄 准教授/菊永 英寿
助教/石川 貴嗣 HP 助教/宮部 学 助教/武藤 俊哉 助教/塚田 暁 助教/時安 敦史

研究について

1.3 GeV 電子ブースタシンクロトン

原子核理学研究グループは、電子光理学研究センターを拠点にして、原子核・ハドロン物理学、加速器科学・ビーム物理学、及び核・放射化学の研究を多角的に進めている。
電子光理学研究センターは、二つの電子線形加速器(リナック)と、1.3 GeV 電子ブースターシンクロトロンを有する全国共同利用・共同研究拠点(電子光理学研究拠点)であり、東北大学が運営する学内外の研究者のための加速器施設である。
これらの加速器から得られる20 MeV ∼1.3 GeV の特色ある電子線やガンマ線を用いて、上述の分野における最先端研究が推し進められている。

原子核理学講座の大学院生は、大型加速器を有する研究環境の中でそれぞれの分野の研究活動に参加する。

原子核・ハドロン物理学分野
1) クォーク核物理

電磁カロリメータBGOegg

SPring-8/LEPS における5つのクォークからなるペンタクォークバリオン Θ+ の発見は世界的な話題となり、今日に至っている。クォーク核物理研究グループは、SPring-8における Θ+の研究を続ける一方で、センターの加速器を用いてエータ(η)メソンの精密測定を行い、ストレンジネスを露わに含まないペンタクォークバリオンの候補を発見した。この研究では、全立体角を覆う電磁カロリメータFORESTが重要な役割を果たした。電磁カロリメータは、反応で生じた複数のガンマ線をすべて検出することを目的とする検出器で、大がかりな装置である。(FORESTの総重量は5t)この研究を更に推し進めるために、新たに1320本のBGO単結晶で構成される電磁カロリメータBGOeggを建設した。BGOeggはSPring-8/LEPS2に移設したばかりであり、これを駆使した本格的な研究がこれからが始まる。

「粒子」と「真空」は相互規定的であり、ハドロンの研究とQCD真空の研究は相補的である。原子核内部は、1 cm3当たり約1億トンという超高密度の世界であり、これは開闢後間もない頃の宇宙の密度に匹敵する。そこではQCD真空が変化している可能性がある。GeV光子ビームは原子核内部に進入することができるので、これを用いて原子核内部にハドロンを生成し、その崩壊を詳しく調べることによって、原子核中でのハドロンの性質変化を研究している。この研究は、物質質量の98%を創成すると考えられているQCD真空の相転移の研究に繋がっている。

2) エキゾチック核の構造研究
 短寿命で崩壊するエキゾチックな原子核の中に、安定な原子核では知られていなかった特異な構造を有する原子核が多数発見されている。これは、安定核の研究を基に築かれてきた原子核構造に関する“常識”が、陽子・中性子数のバランスが大きく崩れたエキゾチック核では通用しないことを示している。これら特異構造を解明し、適応範囲の広い核構造モデルを構築することは現代原子核物理学に課せられた最重要課題である。また多くのエキゾチック核が関与する核反応連鎖である宇宙での元素合成過程に、これらの核構造が大きな影響を与えることもあり、世界中の研究者が日夜その構造研究にしのぎを削っている。

電子を原子核に照射しその散乱具合から内部構造に関する知見を得る電子散乱は、原子核の構造研究にとって最良の方法である。それは電子が、1)点状粒子であり、2)電磁相互作用で原子核と散乱する、ためだ。原子核の教科書に書かれているように、(安定な)原子核の形状や大きさ、また核内核子の運動量分布など、原子核構造の基本的な物理量の多くは電子散乱実験によって決定されてきた。

世界初の短寿命不安定核研究用電子散乱施設と
東北大スペクトロメータ

しかしながら、生成が困難で短寿命で崩壊してしまうエキゾチック核の電子散乱による研究は、原子核研究者の長年の夢だったがその標的生成があまりに困難なため不可能と考えられてきた。私たちはこの壁を打ち破りごく少数の標的エキゾチック核で電子散乱実験を可能にする画期的な実験技術を発明した。この技術をもとに理化学研究所と共同で世界初のエキゾチック核専用の電子散乱施設を建設しエキゾチック核の構造研究を進めている。

加速器科学・ビーム物理分野

建設中の試験光源加速器の完成予想図

 加速器科学・ビーム物理の分野では、電磁場と荷電粒子あるいは光子との相互作用と集団運動の動力学や、これを源とする様々な非線形物理現象を理解するために、主として高エネルギー電子加速器を用いて研究を行っている。また、本施設の電子リナックおよびブースターシンクロトロンの性能向上及び将来の加速器の高度化のための加速器科学の応用研究も行っている。

 電子の電磁場における運動、特に非線形ダイナミクスを中心にビーム物理学の基礎研究を行っている。線型加速器においては、主として高周波電子銃から生成される電子ビームにおける空間電荷効果による6次元位相空間の歪みや加速構造でのビーム自身の航跡場の影響による後続電子のエネルギー変移など、円型加速器においては非線形磁場による高次共鳴および結合共鳴のビームダイナミクス、また航跡場による電子集団の縦方向位相空間の変形及び不安定性等を研究している。この他、新しい発想に基づいた超低エミッタンス電子銃および連続してコヒーレント放射光を得るため特殊なビーム光学に基づくアイソクロナスリングや共鳴波長より短い電子パルスを用いた新奇な自由電子レーザー相互作用を研究している。
 他研究機関との共同研究としては、理化学研究所X 線自由電子レーザーグループと共に最先端の電子リナックを用いた超高輝度電子ビームの生成やコヒーレントX 線生成の基礎研究を行っている。海外ではブルックヘブン国立研究所(米) と共にX 線自由電子レーザーを中心とした光と電子の集団的相互作用の研究を進めているほか、台湾精華大学と熱陰極高周波電子銃の基礎研究およびレーザー光と電子ビームの衝突によるコンプトン後方散乱によるX線生成研究を進めている。

核・放射化学分野
 光核反応機構の放射化学的研究や、環境物質等の放射化微量分析等の従来からの研究に加え、化学的手法を用いた原子核の崩壊特性や核反応・核データ等の研究を推進している。たとえば本分野では、放射性同位元体の半減期をおおきく変化させる試みとそのメカニズムの研究が進められ、最近、C60に内包された放射性Be-7 の大きな半減期変化の観測に成功した。また、重イオン核反応を用いた超重元素の生成と核分裂のメカニズムや、サブeV からMeV までの幅広いエネルギー領域でのアクチノイド元素の中性子捕獲核分裂の断面積測定等の研究を進めている。

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