20-40MeV20-40MeV 領域における領域における 44HeHe 光分解断面光分解断面積積

大阪大学 核物理研究センター嶋　達志

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

「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

CollaboratorsCollaborators

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

◆ Gorbunov 62▼ Arkatov 78▲ Bernabei 88■ Hoorebeke 93

＋ Gardner 62× Gemmell 62

◇ Meyerhof 70

△ McBroom 82 ▽ Calarco 83

○ Feldman 90□ Hahn 95

Previous works; Previous works; 44He(He(,p),p)33H & H & 33H(p,H(p,))44HeHe

E [MeV]

▲ ■ ▼ ◆

○ □ △ ▽◇ ＋×

3H(p,)4He

4He(,p)3HCro

ss S

ectio

n [m

b]

● RCNP-AIST2005

20 25 30 35 400

1

2

PRC72, 044004 (2005)

(detailed balance)

ビーム、検出器が同じ　　　　 Perry&Bame1955 に normalize 　　　　同一グループ

◆ Gorbunov 62▲ Berman 71■ Malcom 73▼ Irish 73● Nilsson2005

△ Ward 81○ Komar 93

Previous works; Previous works; 44He(He(,n),n)33He & He & 33He(n,He(n,))44HeHe(detailed balance)

E [MeV]

▲ ■ ◆ ＋

○ △ 3He(n,)4He

4He(,n)3He

Cro

ss S

ectio

n [m

b]

RCNP-AIST2005Lund-Glasgow2005

20 25 30 35 400

1

2

Photodisintegration of 4He have been studied by means ofmonochromatic , bremsstrahlung, radiative capture...

4He(,p)3H

0

1

2

4He(,n)3He

Cro

ss S

ectio

n [m

b]

E [MeV]20 30 40 500

1

2

実験のキーポイン実験のキーポイントト

3H(p,)4He

ビームによるターゲット損傷 有効ターゲット厚（エネルギーロス） 高エネルギー γ 線（ >20MeV ）に対する検出効率 3H(p,n)3He (=540mb@3MeV) によるバックグラウンド

3He(n,)4He

中性子量の決定精度 有効ターゲット厚（散乱効果） 高エネルギー γ 線（ >20MeV ）に対する検出効率 散乱中性子によるバックグラウンド

4He(,p)3H 制動放射→バックグラウンド γ 線 荷電粒子検出器の閾値、立体角

4He(,n)3He

制動放射→バックグラウンド γ 線 低速中性子に対する検出効率 有効ターゲット厚（液体ターゲットの場合）

33H(p,H(p,))44He He -ray spectrum (Perry & Bame, PR99, 1368 (1955))-ray spectrum (Perry & Bame, PR99, 1368 (1955))

Energy distributions of bremsstrahlung photonsEnergy distributions of bremsstrahlung photons

Bremsstrahlung, Annihilation

Energy spectrum of photo-proton（ Si 半導体検出器）

※ Tp =6MeV E =24MeV

e-, e+

e-,e+ +proton

Laser Compton-scattered Laser Compton-scattered -ray ;-ray ;(GSO scintillator spectrum)(GSO scintillator spectrum)

Pulse Height [MeV]

Co

un

t [

arb

. un

it] laser =1064nm, Ee = 0.976GeV, Ie =83mA

Plaser=3.53W

Plaser=0W

0 5 10 15 20

100

200

Lund-Glasgow experiment ; Lund-Glasgow experiment ; 44He(He(,n),n)33HeHeNilsson et al., PLB626, 65 (2005), PRC75, 014007 (2007)

e-

Radiator

MagnetTagger

Liq. He target

n

Liq. scintillator

MAX-lab Tagged photon + Liquid He target + Neutron TOF

E [MeV]

Cro

ss S

ectio

n [m

b]

Lund2007

20 25 30 35 40 45 500

1

2

Attenuation-1

Scattering

Detection Efficiency

Detection threshold : En=4.5MeV

E = 26MeV

GEANT3 simulation :

キーポイントキーポイント : : 系統誤差を抑える系統誤差を抑える

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, Y

入射ガンマ線光子の個数を正しく数える Y

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 p,

残留バックグラウンドを正確に識別・除去する Yp

YN

Y

YNNY

Hep

p

HepHepp

4

44

Yp : 反応イールド

Y : ガンマ線計数

p : 反応イベントの検出効率

: ガンマ線光子の検出効率

N4He : 標的 4He 核密度

断面積

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, Y

　　　　　　 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 Y

　 　 　 　 　 　 　薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄薄

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 p, 　 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

実験上の工夫：実験上の工夫：

Experiment with quasi-monochromatic Experiment with quasi-monochromatic at NewSUBARUat NewSUBARU

Laser Compton-scattered -ray :

E = 16 ~ 40MeV, 　~4×104 /sec, FWHM~9%, P~100%

Time Projection Time Projection ChamberChamber

Target gas : He + CH4 (CD4)

T. Kii, T. Shima, T. Baba, Y. Nagai, NIM A552 (2005) 329

· 　~ 4 , 　100% ; high efficiency

· track shape, dE/dx event ID, d/d, asymmetry

Systematic Systematic errors errors

p (detector efficiency) = 98 ~ 99% = 1 ~ 2%

N4He (target thickness) ; N = 1%

( effective volume ~ 1%, gas density << 1% )

(-ray flux) ; ~ 2%

TOTAL ~ 4%

1

4Hep

p

N

Y

Measurement of Measurement of -ray intensity with -ray intensity with pile-up analysispile-up analysis

BGO pulse-height spectrum( > 99.8%)

= Nphoton× fpulse

pulse rate; fpulse = 10kHzpulse width ; <10ns

Multiplicity Nphoton ;

= 3000~104 /sec

BGO ; 2”×6”shaping time ; 1s

# of photons per pulse

→ Poisson distribution

　　 ~ 2%Pulse Height

Cou

nt

E= 36MeV Laser=1.5W

F.G.B.G.Net

0 500 1000 1500 2000

500

1000

1500

2000

2500

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）

M=5.26

Pulse Height

Cou

nt

E= 36MeV

0 500 1000 1500 2000

500

1000

1500

2000

M=1.52

Pulse Height

Cou

nt

E= 36MeV

0 200 400 600 800 1000

2000

4000

6000

8000

（レーザー 1.5W ） （レーザー 0.5W ）

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%)

Red

uced

2

2-min.=7.605 at Nphoton=5.26 (1=0.10)

Nphoton

E= 36MeV Nphoton=5.26

4.8 5 5.2 5.4 5.65

10

15

20

25

30

Target thickness (NTarget thickness (N4He4He) )

= Gas density () × TPC effective length (L )

Gas density () Pressure (P ), Temperature (T )

P = 0.5 Torr at 1000 Torr (0.05%) T = 1 K at 300 K (0.3%)

Time variation (10000s) : / < 0.05%

/ (absolute) = 0.3 %

Distribution of vertex position Distribution of vertex position

in drift direction (= in drift direction (= -ray beam direction)-ray beam direction)

Effective volume

Drift Length [mm]

Co

un

t

0 100 200 300

50

100

150

200

250

(z-coordinate)

L ~ 2 mm L/L ~1%

N/N ~1 %

Event Event SelectionSelection

Vertex position ; true background

Number of tracks ; (,p) (,n) (,2)

Track length ; p, d, 3He, 4He 11B, 11C

dE/dx ; p, d 3He, 4He

Track angle ; two-body decay multi-body decay

4He(,p)3H

4He(,n)3He

4He photodisintegrations

12C photodisintegrations

12C(,p)11B

12C(,n)11C

x [m

m]

z [mm]

-beam 11B

p

0 50 100 150 200 250-30

0

30

x [m

m]

z [mm]

-beam

11C

0 50 100 150 200 250-30

0

30

Three-body decays

4He(,pn)2H

12C(,2)4He

x [m

m]

z [mm]

-beam

d

p

0 50 100 150 200 250-30

0

30

x [m

m]

z [mm]

-beam

0 50 100 150 200 250-30

0

30

x [m

m]

z [mm]

-beam p

0 50 100 150 200 250-30

0

30

D(,n)p

Pulse Height SpectrumPulse Height Spectrum

( 2=1.11 )

4He(,p)3H E=28MeV

Pulse Height [channel]

Co

un

ts

○ Present work

Monte Carlo calc.

0 10 20 30 40 50

10

20

30

( 2=1.08 )

4He(,n)3He E=28MeV

Pulse Height [channel]

Co

un

ts

○ Present work

Monte Carlo calc.

0 10 20 30 40 50

10

20

30

( 2=1.23 )

12C(,p)11B E=28MeV

Pulse Height [channel]

Co

un

ts

○ Present work

Monte Carlo calc.

0 5 10 15 20 25 30

20

40

60

80

( 2=1.52 )

12C(,n)11C E=28MeV

Pulse Height [channel]

Co

un

ts

○ Present work

Monte Carlo calc.

0 5 10 15 20 25

20

40

60

80

4He(,p)3H 4He(,n)3He

12C(,p)11B 12C(,n)11C

44He(He(,p),p)33H H (preliminary)(preliminary)

● RCNP-AIST2005 (PRC72, 044004) ; =351nm (3rd), Ee=0.8GeV● RCNP-AIST2005 (PRC72, 044004) ; =351nm (3rd), Ee=0.8GeV● RCNP-AIST2005 (PRC72, 044004) ; =351nm (3rd), Ee=0.8GeV

● RCNP-NewSUBARU; =532nm (2nd), Ee=0.97GeV

● RCNP-NewSUBARU; =1064nm (fund.), Ee≤1.46GeV

○ RCNP-NewSUBARU; =532nm (2nd), Ee=1.06GeV

E [MeV]

Cro

ss S

ecti

on

[m

b]

20 25 30 35 40 45 500

1

2

E [MeV]

Cro

ss S

ecti

on

[m

b]

20 25 30 35 40 45 500

1

2

44He(He(,n),n)33He He (preliminary)(preliminary)

● RCNP-AIST2005 (PRC72, 044004) ; =351nm (3rd), Ee=0.8GeV

● RCNP-NewSUBARU; =532nm (2nd), Ee=0.97MeV

● RCNP-NewSUBARU; =1064nm (fund.), Ee≤1.46GeV

○ RCNP-NewSUBARU; =532nm (2nd), Ee=1.06GeV

● Lund 2005-2007 (PRC75, 014007) ; tagged photons

E [MeV]

Cro

ss S

ecti

on

[m

b]

20 25 30 35 40 45 500

1

2

44He(He(,pn)d,pn)d(preliminary)(preliminary)

E [MeV]

Cro

ss S

ecti

on

[m

b]

Gorbunov1958Arkatov1969Balestra1979RCNP-AISTRCNP-NewSUBARU (1)RCNP-NewSUBARU (2)RCNP-NewSUBARU (3)

Threshold26.07MeV

28 32 36 400

0.1

0.2

0.3

0.4

D(D(,n)p ,n)p (preliminary)(preliminary)

Not for normalization, just fire insurance!

E [MeV]

Cro

ss S

ecti

on

[m

b] Skopik 74

Bernabei 86Leleux 79,85Michel 89RCNP-AISTRCNP-NewSUBARU (1)RCNP-NewSUBARU (2)

ENDF/B-VIIPartovi 1964

10 15 20 25 30 35 400

0.4

0.8

1.2

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(,p)3H, 4He(,n)3He 断面積が一致。（荷電対称）

同時測定による D(,n)p 断面積が既存のデータ、理論計算と一致。

ConsistencyConsistency

（ニュースバル）

E E∝ laser · Ee2

●○ 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)

Comparison with theory Comparison with theory ： ： 44He(He(,n),n)33HeHe

E [MeV]

Cro

ss S

ecti

on

[m

b]

20 25 30 35 40 45 500

1

2

まとめ＆今後の展望まとめ＆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; E=26MeV のデータを解析中。また、角度分布 (,) 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

　　　⇒ E = 10.7~39MeV での測定が可能に。

StrategyStrategy

Photon beam:

Tagged photon

Backscattered-

Detection method:

Neutron detection

Charged-particle detection

NewSUBARU LCS-NewSUBARU LCS- + Detector for ( + Detector for (,n) (Konan Univ.),n) (Konan Univ.)

4 neutron counter

Beam dump (NaI(Tl) detector)

3He(,p)d

0

0.5

1

3He(,pp)n

0

0.5

1

1.5

E [MeV]

Cro

ss S

ecti

on

[m

b]

Total

5 10 15 20 25 30 350

1

2

33He photodisintegration cross sectionsHe 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

Azimuthal angle [deg.]

4 He(

,p

) co

un

ts

0 30 60 90 120 150 180

20

40

60

d

/d

[m

b/s

r]

c.m. [deg]

0 40 80 120 160

0.1

0.2

Angular distributions; Angular distributions; 44He(He(,p),p)33H@32MeVH@32MeV

p-p-33H angular correlationH angular correlation

p-t [degree]

dN

/d

[st

r-1]

Experiment Simulation for 4He(,p)3H

0 40 80 120 160 200

400

800

1200

1600E(max) =32MeV

0.976GeV, 532nm0.976GeV, 1064nm1.220GeV, 1064nm1.460GeV, 1064nm

Energy [10keV]

Co

un

t (a

rb. u

.)

0 1000 2000 3000 4000

100

200

300

400

500

Energy [MeV]

Ch

ann

el

0 10 20 30 40

1000

2000

3000

Energy calibration Energy calibration (measured with Ge)(measured with Ge)

222

2

, 1

4

cm

EhcE

e

e

L

Pulse Height spectra of45% Ge-detector

E vs P.H.

(P.H

.)

standard source

E = 0.7MeV at 33MeV

Energy distributionEnergy distribution

NaI(Tl): 6”×5”Collimator: 3mm

FWHM 8.7%

DataFitE

E(max) = 34MeV

E [MeV]

Cou

nt

0 8 16 24 32 40

40

80

120

Pu

lse

He

igh

t

Threshold Level

Time

Interval of drift time signalsInterval of drift time signals

44He(He(,n),n)33He / D(He / D(,n)p ; Energy loss spectra,n)p ; Energy loss spectra

4He(,n)3He D(,n)pMonte Carlo calc.

Energy loss [MeV]

Cou

nt

0 2 4 6 8 10

10

20

30

40