筑波大学大学院博士課程
物理学研究科

４、原子核実験

Nuclear Physics, Experiment

Experimental Nuclear Physics group can be divided into low energy group and high energy group. The low energy group, doing their research mainly at Tandem Accelerator Center of this university, studies nuclear structures, spin polarizations and micro-clusters. The high energy group carries out experiments at Brookhaven National Laboratory (USA), CERN (Europe) and KEK (Tsukuba), focusing on formation of Quark-Gluon Plasma and mechanisms of high-energy nuclear collisions.

１）加速器センター
加速器センターには最高電圧 12 MV のタンデム・バンデグラーフ型静電加 速器が設置され、偏極イオン源、重イオン源、並びに加速器質量分析用イオン 源が接続されている。測定室には磁界スペクトロメター、大型散乱槽、クリス タルボール型ガンマ線検出器その他の測定装置を設置した 11 本のビームライ ンがあり、陽子および重陽子のスピン偏極ビームや各種の重イオンビームを用 いて原子核並びにその境界領域を含む基礎研究が行なわれている。

近年加速器は単に原子核物理学だけでなく、物性・工学・化学・生物・医学 などの分野にまで応用されており、加速器・放射線検出器の技術開発研究、な らびに X 線分析、加速器質量分析など広くイオンビームの応用研究も活発に 行なわれている。それらの研究を通じて修士および博士課程の大学院教育が行 なわれ、大学院生は優れた設備環境の中で自主的に各自の論文作成のための研 究に取組む事が出来る。

Tandem Accelerator Center (UTTAC)

In this facility, a large scale tandem Van de Graaf accelerator is installed as a principal apparatus. It generates terminal voltages up to 12 MV. Three ion sources are connected to the accelerator, and 11 beam lines equipped with magnetic spectrographs, large scattering chambers, a crystal ball for $\gamma$-ray spectroscopy and so on are prepared in two separate target rooms. The research activity covers nuclear polarization phenomena, nuclear structure studies, solid state physics and other interdisciplinary subjects by means of nuclear and ion-beam technology. Graduate students are also working on their theses using the accelerator and advanced instruments.

図１：加速器センターの建屋全景

Tandem Accelerator Center

２）原子核構造
重イオン核反応において、原子核の中に大きな角運動量を持った量子状態 (高スピン状態)が生成される。高スピン状態は古典力学の描像では高速回転に 対応し、原子核内の中性子・陽子の運動は遠心力やコリオリの力に類似した効 果を強く受け、今までに知られている基底状態附近の現象とは著しく異なる未 知の現象が次々と観測されている。研究課題には (1)中性子または陽子の対相 関の破れによる原子核の超伝導状態からの相転移、(2)原子核回転における首 振り運動、(3)西洋梨形や 3 軸非対称形への形状変化、(4)超巨大変形とそれに 伴う新しい殻構造の出現、(5)それらの新変形状態に於ける粒子運動と対称性、 (6)バナナ形の様なエキゾチックな形の原子核の探査などがある。高スピン状 態からは極めて多数のガンマ線が放射される。したがって上記の研究のために は高分解能のクリスタルボール型ガンマ線検出器が必要であが、加速器センター には小型ながら現在国内の大学で唯一の常設・専用のクリスタルボールが設置 されている。原子核の高速回転に伴う構造変化や回転エネルギーの散逸機構を 支配する物理法則を明らかにする研究を行なっている。

Nuclear Structure

Gamma-ray spectroscopy by means of a large array of high-resolution detectors has opened up new era of nuclear structure study. The goal of this field is to understand interesting phenomena such as the quench of pairing correlation, non-axial deformation, nuclear wobbling motion and superdeformation. Experimental works are performed by our compact $\gamma$-ray detector array aiming at deeper understanding of the nuclear dynamics at high spins.

図２：クリスタルボール型ガンマ線検出器

Gamma-ray detector array

３）原子核反応における偏極現象
偏極グループの代表的実験装置である偏極イオン源（図３）は陽子・重陽子 の純粋状態を実現する。すべてのフェルミ粒子は波動関数の反対称性のために、 必ずスピンに依存する（偏極）現象を伴うが、混合状態では平均値しか測定で きない。スピン偏極現象を用い、個別の原子核の励起準位の量子数を調べるほ か、核力のスピン依存性、原子核反応の反応機構ばかりでなくある種のスピン 依存力の起源にまで迫る。このために加速器センターに各種のエネルギーや運 動量分析器、スピン偏極分析器等が用意されている。主な研究目標はベクトル 及びテンソル偏極した陽子や重陽子が誘起する現象を調べる事である。

Polarization Phenomena in Nuclear Reactions

A polarized ion source (Fig.3) is installed in UTTAC to realize the "pure" state. All the Fermion system can never be free from spin dependent (polarization) phenomena. This is partly due to the Pauli principle and partly due to the nuclear forces itself. Polarization phenomena are used to study detailed quantum numbers of the individual nuclear levels, spin dependence of the nuclear force and reaction mechanism by exploiting the interference nature of the scattering amplitudes. UTTAC is equipped with many kinds of radiation detectors and polarimeters, which are available to graduate students. Current interest of research is focused on the nuclear reactions induced by polarized protons and deuterons.

図３：ラムシフト型偏極イオン源

Schematic cross section of the Lamb-shift polarized ion source

４）高温核の分裂とクラスター反応
現在、原子核物理の基本的問題の一つに、有限の核物質系の高温に於ける性 質がある。これは、熱い原子核の粘性変化による核分裂時間の遅れを調べれば よい。その為に、理研リングサイクロトロンの約 1 GeV の重イオンビームで 高温の複合核を作り、蒸発軽粒子と核分裂崩壊の競争を測って、その遅れの度 合を観る一連の実験を行っている。図４はそれを測定する全立体角 BaF₂ カウンターである。

　10〜10⁴個の原子集団のマイクロクラスターは原子核と多くの類 似性と異質性を持っている。無限系の物体は有限多体系から如何に進化したか？ 宇宙の歴史でもこの分野は未だ空白である。一つの重要なアプローチとしてク ラスター反応による、有限から無限系への物質進化の研究がある。図５に、原 子から有限系のクラスター、そして無限系の物質へと成長する過程を示す。

Hot Nuclear Fission and Micro Cluster Reactions

A major goal of contemporary nuclear physics is to understand the behavior of nuclear matter at finite and high temperatures. For this purpose we study the temperature dependence of nuclear viscosity by measuring the fission delay time using 4$\pi$ BaF₂ counter array (Fig.4).

How has the infinite matter been produced from the atoms and clusters ? One possible approach for this open problem is to study the evolution process from the finite to the infinite system by means of the cluster reactions (Fig.5).

図４：全立体角 BaF₂ カウンター

4π BaF₂ Counter Array

図５：物質進化の模式図

Evolution of the matter

High Energy Hadron-Nucleus Reactions.

We are interested in obtaining a deeper unified understanding, which should be done at quark level, of the structures and reaction mechanisms in many kinds of phenomena concerned with hadrons and nuclei. At present, our studies are focussed on (1) Backward Strangeness Production in High Energy Pion-Nucleus Reactions and (2) Violation of Time-Reversal Symmetry in the Decay Ｋ⁺ → μ⁺ν π⁰, with use of high energy hadron beams at KEK-PS.

図６：高エネルギー物理学研究所での「時間反転対称性の破れ」実験のため のトロイダル型スペクトロメータ／ポラリメータ

Toroidal Spectrometer/Polarimeter for "Violation of Time-Reversal Symmetry" Experiment at KEK.

６）相対論的高エネルギー重イオン衝突によるクォーク・グルオン・プラズマ生成
我々の宇宙を構成する素粒子（ハドロン）は、クォークとグルオンが閉じ込 められた状態と考えられており、これらクォーク、グルオンの運動状態は量子 色力学によって記述される。量子色力学の計算によれば、非常に高温高密度に なると、閉じ込めから開放されて、クォークとグルオンのプラズマ状態（QGP） に相転移すると予測されている（図７）。ビッグバン宇宙の極めて初期には宇 宙はQGP状態として存在したと考えられている。

相対論的高エネルギー原子核衝突では、静止質量の数十倍〜数百倍もの運動 エネルギーまでに加速された原子核が互いに激しく衝突し、そのエネルギーが 原子核程度の小さな空間領域に放出される。このため、高温高密度状態となっ た反応中心部では、通常物質からQGP状態への相転移を引き起こすであろうと 予測されている。

米国ブルックヘブン国立研究所（BNL）や欧州の原子核研究機構（CERN） では、高エネルギー重イオン衝突によるQGP相転移研究のために加速器の建設 が次々に進められている。1987年、BNLで核子あたり15 GeV に加速された酸 素やシリコンのビームを用いた実験が開始された。さらにBNLでは、1998 年 の運転開始を目指して高エネルギー重イオン衝突型加速器（RHIC）の建設が 進められている。一方、CERN では1987 年より核子あたり200 GeVの酸素や硫 黄のビームが加速され、1994年には鉛のビームの加速が始まった。

我々はこれらの新ビームを利用して、反応中心部において生成されるパイ中 間子、Ｋ中間子、陽子などを実験的に明確に粒子識別して系統的に測定を行う。 この実験をCERN の200 GeVからBNL の衝突型加速器まで様々なエネルギーで 行いQGP 生成の理解に向かって反応機構の基礎的研究を進めている。

Formation of Quark-Gluon Plasma with Relativistic Heavy Ion Collisions.

Ultra-relativistic heavy ion collision provides a unique tool to study the properties of hadronic matter under extreme conditions. New phase of matter, called Quark-Gluon Plasma (QGP) is expected to be formed in the high energy heavy ion collisions. Systematic measurement of hadron production provides basic understanding of the complex system, which characterizes the formation of QGP.

図７：プラズマとクォーク・グルオン・プラズマ

Plasma and Quark-Gluon Plasma

図８：米国ブルックヘブン国立研究所におけるフェニックス実験

PHENIX experiment at Brookhaven Nat. Lab.

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