近年、中性子ハローや中性子スキンといった安定原子核にはない核構造が発見されたり、中性子過剰領域のN=20の魔法数の消滅が話題になっている。これらの成果は不安定原子核ビームを使った実験が精力的に行なわれたことで得られた。不安定原子核ビームの生成には、数十A MeV〜数A GeVに加速した重イオンビームを標的に当て、入射核破砕反応などで生成された不安定核ビームを破砕片分離装置でより分けるin-flight法が用いられる。特にサイクロトロンで加速される中間エネルギー(数十〜数百A MeV)重イオンビームは強度が強く、アイソスピンの大きな核種の生成とその性質を調べる実験が可能となった。

　さて、これら不安定原子核実験に対して不安定核ビーム強度向上のための最適化設計が不可欠であり、その際重要な生成断面積予想にはabrasion-ablation (AA) modelによる計算や高エネルギー重イオンビームのデータをもとに作られた半経験的断面積計算コードEPAXがある。これらの予想はβ安定線近傍の核種についてはよいが、β安定線から遠く離れた中性子ドリップライン近傍核については予測精度が悪くなっている。その理由は、これまで得られている基礎データはβ安定線領域に集中していて、β安定線から遠く離れた中性子過剰核領域のデータが不足しているからである。

　中性子過剰核の研究の中でも収量が極めて限られている点で最も挑戦的な試みといえる中性子過剰核探索実験では、生成断面積の見積りが特に重要である。ある中性子過剰核(Z,N)が核子放出に対して束縛か非束縛かを実験的に区別する必要がある。探索の結果、粒子識別で観測されれば束縛となるが、観測されないだけで非束縛とは言えない。生成断面積の上限値が予想される生成断面積と比べて十分小さい時、最終的に非束縛であると結論することができる。すなわち生成断面積の予測の精度が重要になる。

　さらに反応メカニズムに関して中間エネルギー領域特有と思われる問題がある。高エネルギー領域(〜数A GeV)の核破砕反応はParticipant Spectatorモデルでよく説明され、放出される入射核破砕片(Projectile Fragment)の運動量分布はこのモデルに沿ったGoldhaberをはじめとする一連の研究で明らかになっている。また破砕片の生成断面積の特徴として、入射ビームエネルギーにあまり依存しないという制限破砕(Limiting Fragmentation)と、標的核依存性は核サイズの違いに起因した定数分に限られるという因子化(Factorization)が知られている。一方、100A MeV以下の中間エネルギー領域では、入射核様破砕片(PLF)の運動量分布が非対称となり、その収量には大きな標的核依存性があって、Participant Spectatorモデルでは説明がつかない。これらの問題を包括的な視点で研究し、反応メカニズムを解明することが必要となった。

　この論文の目的は、これまであまり測定されていなかったβ安定線から遠く離れた核種まで入射核様破砕片の運動量分布を測定し、特に中間エネルギーでの反応メカニズムの知見を深めるとともにこの生成断面積から、既存の断面積予想コードの修正を通して生成断面積の系統性を知ることにある。その際、各データの標的核依存性を調べ、因子化仮説の検証を行なう。

　そこで中間エネルギー領域における入射核破砕反応実験を行なった。入射核様破砕片の運動量分布を知るのに十分な薄いターゲットを使い、中性子ドリップライン近傍核の生成可能な強いビームを選択した。実験は理化学研究所の不安定核ビームライン(RIPS)で行なった。90-94A MeVの〓Arビームを9Be(95mg/cm2)と181Ta(17mg/cm2)の2種類の標的にそれぞれ照射し、粒子識別をΔE-TOF法で行ないながら広範囲(3〓Z〓18,2〓A/Z〓3)な破砕片の0o方向の運動量分布を測定した。実験のセットアップについては入射ビーム強度のモニタと粒子識別のS/Nに注意を払った。

　実験の結果、破砕片運動量分布は図1の上に示すように、Be標的による軽い破砕片のデータに2つのピークが存在することを発見した。HEピーク(High Energy)は入射核の速度に近いので入射核破砕反応に由来すると考えられる。LEピーク(Low Energy)は入射核と標的核の重心系(CM)の速度に近かった。図1の下のように重い破砕片やTa標的データではHEピークだけが観測された。本研究では入射核破砕反応に興味があるので主にHEピークを解析した。HEピークはGauss関数と比べて明らかに左右非対称になっている。そしてd2σf/dPdΩ=Aexp{-(P-P0)2/2σ2}のσを高運動量側(P〓P0)でσH、低運動量側(P<P0)でσLと変えた非対称なGaussian-like関数でFitすると情報が比較的良く引き出せた。生成断面積は横方向運動量分布の幅σ⊥を式σ2⊥=σH2+{Af(Af−1)/Ap(Ap−1)}σD2でDeflection効果を示すパラメータσDを(195±30)MeV/cと仮定して導出し、破砕片運動量分布を積分することで得られた。

　図2と図3にBe標的データのFitの結果であるP0、σH、σLを示す。まず物理的議論の対象になるのはP0で一般に入射核の速度と比較して減速していることはすでに知られている。この運動量シフトの大きさは核破砕反応の最初の段階である核子の切りとりに関する情報そのものである。運動量の幅については、Goldhaberモデルによれば高運動量側σHは入射核内の各核子の運動量分布の反映になっているが、低運動量側σLはσHよりもはるかに広く、破砕片質量Afに対する変化の振舞いも全く異なっている。この実験結果から中間エネルギー領域における入射核破砕反応はE<20A MeVの低エネルギー反応よりもむしろE〜数A GeVの高エネルギー反応のメカニズムが主であり、そこから補正を受けた反応メカニズムになっていると考えられる。主たる核破砕反応は傍観部−関与部描像の範囲であることが運動量シフトの測定結果から正当化される。そして中間エネルギー領域では「核子移行反応」が加わり、運動量分布の低運動量側の幅σLが形成される。

　まずP0は図2のように破砕片質量に対し全体的に放物線型の減速を示している。各実験値は同位体ごとに線でつないである。各々Isospinに対するばらつきは系統誤差の程度なので無視する。縦軸は破砕片のエネルギーを核子当たりで表示している。入射核の速度に相当するのが87.5A MeVの実線でそこから下へいくほど減速していることを意味する。これまで多くのモデルはParticipant部の核子は1個ずつ引き抜かれると仮定したため、破砕片の運動量シフトは抜かれた核子数ΔAと共に増大する。図2では各モデルと実験結果の比較も示した。いずれも放物線型の減速を説明できていない。そこでこの現象を入射核の分割(Split)という視点で説明を試みた。入射核(P)が反応の最初の段階でSpectator部とParticipant部の"二個"の原子核に切り離され、その全結合エネルギーの変化が縦方向の並進運動エネルギーの変化に表れると仮定する。その結果、Split前後のエネルギー変化ΔEは破砕片の質量Afに対してΔE=εAf(Ap−Af)/(Ap−1)となり、Ap/2を中心とする放物線となる。ここでApは入射核の質量、εは入射核から核子一個が破砕反応で取り去られる場合の全結合エネルギーの差である。"This work"と書かれた放物線がこのSplitting Modelの予測で、最初はε=8MeVとして点線のように考えた。しかし実験値から得られる値はε=12MeVで実線のようになった。約4MeVの差は分割後の2つの核種の励起エネルギーと考えられる。なおAf〓13の破砕片は入射核の速度を意味する実線より上にあり、加速を意味している。これに対し、Ta標的データでは加速現象が全く見られない。同時に、Ta標的データには少なくとも入射核の速度近傍の測定範囲の中にはLEピークがない。そこでこのBe標的データのAf〓13の破砕片に対する加速はLEピークとの関係が示唆される。このAf〓13の加速領域を除けば標的核によらず全ての破砕片運動量シフトはSplitting Modelの予測でうまく記述することができた。

　運動量分布の高運動量側の幅σHは図3の下方に示すように、破砕片の入射核から引き抜かれた核子数ΔA=Ap−Afに対する振舞いがGoldhaber Modelの予測〓と一致し、Be標的データで得られた換算幅σ0=93.5±2.6stat±7.5sys MeV/cとTa標的データで得られた換算幅σ0=97.4±1.8stat±7.8sys MeV/cは高エネルギー反応での結果σ0〓90MeV/cとほぼ一致し、標的核による差はなかった。

　低運動量側の幅σLは図3の上方に示すように、核子の引抜きΔAの増大に対し単調に大きくなり、放物型のσHとは全く異なることを初めて見い出した。高エネルギーでの結果はσH=σLなので中間エネルギー領域独特の反応メカニズムの存在を意味する。高運動量側の幅を変えずに低運動量側にだけ表れることから、入射核様破砕片に減速を与える核子移行反応が関わっている可能性がある。実際、Be標的データには1〜2個の中性子ピックアップ反応を必ず必要とする核種36Al,37,38Si,38,39Pも含まれ、運動量シフトは破砕反応のみの場合より大きな減速を示している。これまでにさらに低いエネルギー30-40A MeVで核破砕反応と核子移行反応の競合に関するV.BorrelやD.Guerreauらの研究があるが、本研究では非対称関数のFitで実験値σLを導出し、図3のような広範囲な破砕片に対する系統性を初めて示した。また標的核依存性は特に見られなかった。

　破砕片の生成断面積は、まず標的核依存性を調べるためにTa標的とBe標的のデータで同じ破砕片核種の生成断面積の比をとった。核サイズ効果を除いた比較ではβ安定線から離れるにつれて比が1から外れ、最大8倍もTa標的の方が大きくなることを示した。即ち、因子化仮説はΔZ〓2の中性子過剰領域で大きく破れていることを初めて明らかにした。

　次に半経験的断面積コードEPAXと比較し、断面積予想の精度向上を試みた。破砕片の生成断面積はσ(A,Z)=Y(A)・W(Z,A)のようにMass Yield Y(A)と荷電分布W(Z,A)の積で求まる。さらに荷電分布は次式、W(Z,A)=n・exp(-R〓Zprob-Z〓U)　(1)で与えられ、ZprobとUパラメータが重要である。破砕片の質量数Aを固定した時、最も生成されやすい核の荷電数(Most Probable Charge)がZprobで、そこからZが増減するに従って減少する断面積の減り方の傾きがUである。このW(Z,A)関数を使い、ZprobとUを任意として実験データの各破砕片質量Aに対する断面積荷電分布をそれぞれFitした。まず各標的データからそれぞれ得たZprob(A)に標的核依存性は見られず、EPAXの値とも十分合うことを確認した。D.Guerreauらは44A MeVの収量データからZprobには標的核依存性があると指摘したが、本実験でのBe標的とTa標的のデータの比較では標的核依存性が否定された。次にUパラメータの結果を図4 EPAXでは点線のような定数で標的核依存性が考慮されてない。本実験で明らかとなった中性子過剰核における因子化仮説の破れがUパラメータの違いとして自然に表現された。

　以上の考察をもとに、因子化仮説が破れる原因を追求した。AA modelによると破砕片の生成断面積は、入射核破砕直後でまだ統計崩壊していない前破砕片(Prefragment)の荷電分布と励起エネルギーで決まる。現モデルでは、後者の中の表面エネルギー項に衝突パラメータ起源の標的核依存性がある。しかし、その表面エネルギー項の標的差を基準に実験で得た運動量分布のP0の結果を比較しても励起エネルギーの標的核依存性を証明できなかった。そこで他の可能性として、幾何学的に決まる前破砕片荷電分布にゆらぎをもたらす2つのメカニズムを考えた。ひとつは前破砕片と標的核との核子交換、もうひとつは核子散乱断面積の違い(σpp,nn<σpn)による効果である。いずれもビームエネルギーを変えるとUパラメータ標的核依存性が変化すると予想されるため、500A MeVなどの条件下の中性子過剰核生成に対する因子化仮説検証が必要である。

図1:破砕片運動量分布の例(Be標的)軽い破砕片(10Be)と重い破砕片(30Mg)の例で、実線がFitの結果で破線は2つのピーク、点線はHEピーク中の対称成分(Gauss型)をさす。

図2:運動量分布のピークP0のエネルギー換算値1975〜89年の諸公式と比較してある(破線はWingerの経験式)。

本研究のSplitting ModelはThis workで示され、実線がε=12MeV、点線がε=8MeVである。

図3:運動量分布の幅(Be標的)高運動量側がσHで低運動量側がσLである。

図4:Uパラメータの破砕片質量及びターゲット依存性

　近年不安定原子核ビームを用いた実験により、中性子ハロー、中性子スキンといった原子核の新しい構造が発見され、又、系統的研究から中性子過剰核でのN=20魔法数の消滅が見い出され、話題になっている。これらの研究には近年の不安定原子核ビーム生成方法の進歩が大きな役割を果たしている。

　不安定原子核ビームは、数十A MeV〜数A GeVの重イオンビームを標的に当て、入射核破砕反応により生成されるが、安定線から遠く離れた中性子過剰核は、収量が極めて限られているため、生成断面積の予測精度が極めて重要である。高エネルギー領域(〜数A GeV)の核破砕反応はParticipant Spectatorモデルでよく説明されることは、一連の研究で明らかになっているが、他方、100A MeV以下の中間エネルギー領域では、入射核様破砕片(PLF)の運動量分布が非対称となり、その収量には大きな標的核依存性があって、Participant Spectatorモデルでは説明がつかない。このエネルギー領域に特徴的な現象を系統的に調べ、その特徴を明らかにし、反応メカニズムについての新たな知見を得ることが本論文の主眼である。

　この論文のもととなった実験は、理化学研究所の不安定核ビームライン(RIPS)も用いて行なわれた。90-94A MeVの〓Arビームを9Be(95mg/cm2)と181Ta(17mg/cm2)の二種類の標的にそれぞれ照射し、粒子識別をΔE-TOF法で行ないながら広範囲(3〓Z〓18,2〓A/Z〓3)な破砕片の0o方向の収量、運動量分布を測定した。それらのデータをもとに、中間エネルギーに特有な反応メカニズムをあきらかにし、又、、既存の断面積予想コードの修正を行なって、生成断面積予測の精度を上げることに大きく寄与した。

　以下、実験で得られた結果を列挙する。

　・Be標的の場合にのみ、軽い破砕片の運動量分布に二つのピークが存在することが見い出された。二つのピークのうち、高い運動量をもつピーク(HEピーク)は入射核の速度に近い速度をもち、通常の入射核破砕反応に由来すると考えられるが、低い運動量をもつピーク(LEピーク)は入射核と標的核の重心系(CM)の速度に近い速度をもつ。Be標的の場合でも重い破砕片では、又、Ta標的ではHEピークだけが観測される。

　・HEピークの運動量分布は、Gauss関数と比べて明らかに左右非対称になっており、非対称なGaussian-like関数を用いると比較的良いフィットが得られた。

　・一般に、破砕片の運動量の中心値P0は入射核の速度と比較して減速することは知られているが、Be標的の場合には軽い破砕片でむしろ加速傾向にあることが見い出された。

　・運動量分布の幅は、高運動量側σHは、入射核内の各核子の運動量分布の反映になっているという描像と良く一致しているが、低運動量側ははるかに広く、破砕片質量Afに対する変化の振舞いも全く異なっていることが見い出された。

　・Ta標的とBe標的で同じ破砕片核種の生成断面積の比を取ると、ベータ安定線から離れるにつれて、最大8倍もTa標的の方が大きくなることから、破砕片の生成断面積が大きな標的核依存性を持つこと、即ち、生成断面積は標的核の幾何学的な大きさのみの関数であるとするfactorization仮説が、中性子過剰領域で大きく破れていることを初めて明らかにした。

　これらの新しい実験データを総合すると、100A MeV以下の中間エネルギー領域での反応機構は、E<20A MeVでの低エネルギー領域でのものよりは、むしろE〜数A GeVの高エネルギー領域での反応により似ており、そこに補正を加えたものとなっているという描像が成立していることを明らかにした。このような補正の例としては、以下のようなものがある。

　・運動量分布の低運動量側の幅の振る舞いを説明するためには、低いエネルギー領域で重要な「核子移行反応」を加えることが自然であることを示した。

　・破砕片の運動量中心は破砕片質量の関数として放物線型の減速を示すが、この現象は、入射核(P)が反応の最初の段階でSpectator部とParticipant部の"二個"の原子核に切り離され、その全結合エネルギーの変化が縦方向の並進運動エネルギーの変化に表れると仮定する入射核の分割(Split)モデルでうまく説明されることが判った。

　不安定原子核実験に対して不安定核ビーム強度向上のための最適化設計が不可欠であるが、その際重要な生成断面積予想に用いられている半経験的断面積計算コードEPAXがある。本研究で得られた安定線から遠く離れた原子核生成断面積データをもとに、EPAXコードを改造し、断面積予想の精度向上を試みた。EPAXにおいては、破砕片の生成断面積はσ(A,Z)=Y(A)・W(Z,A)のようにMass Yield Y(A)と荷電分布W(Z,A)の積で求まる。さらに荷電分布は次式、W(Z,A)=n・exp(-R〓Zprob-Z〓U)　(1)で与えられる。ここでZprobは、破砕片の質量数Aを固定した時に最も生成されやすい核の荷電数(Most Probable Charge)で、そこからZが増減するに従って減少する断面積の減り方の傾きがUである。データとの比較から次のようなことが判った。

　・Zprob(A)に標的核依存性は見られず、EPAXの値とも十分合うことを確認した。

　・EPAXでは、Uパラメータは定数であり、標的核依存性が考慮されてない。本実験で明らかとなった中性子過剰核生成断面積の標的核依存性(factorization仮説の破れ)は、Uパラメータの標的核依存性として自然に表現されることが判った。

　なお、本論文は、複数名との共同研究に基づくが、論文提出者である野谷さんは、論文に用いられているデータの解析、まとめ、考察をほぼ単独で行なっており、その寄与は十分であると判断した。

したがって、審査員全員一致で、博士(理学)の学位を授与できるもとと判断した。