We have studied the (11)C(α, p)(14)N reaction which bridges the pp-chain elements to the CNO-cycle elements in addition to the well-known triple-α process, and is important for the nucleosynthesis to the heavier nuclei. In high-temperature (T ~ 108-109 K) hydrogen-burning processes taking place in this bridging region and the following proton-rich region up to mass number A ~ 40, such (α, p) reactions could bypass the slower β-decays (αp- process). The (11)C(α, p)14N reaction could especially play an important roll in the hot pp-chains in metal-poor stars or in the neutrino-induced rapid proton-capture process (vp- process) in the very early epoch of type II supernovae. This process is expected to explain the origin of the isolated stable neutron-deficient nuclei (p-nuclei) around mass number A = 100. However, most of such (α, p) reaction rates in the proton-rich region are still not well known due to experimental difficulties, such as small cross sections, identification of the final states, etc. The (11)C(α, p0)(14)N reaction rates in available compilations are only based on the time-reversal reaction studies done by the activation method, which thus do not provide any information on the transitions to the excited states of (14)N. For the total reaction rate, one might adopt the Hauser-Feshbach statistical model calculation, but this is not necessarily applicable to such a light nucleus. A direct measurement was desired since it enables us to observe such excited-state transitions and also has an advantage over the activation method in determination of the absolute value of reaction cross sections.

Therefore, we have performed a direct measurement of this reaction as one of the first few successful experiments for the αp-process reactions. We observed the (11)C(α, p)14N reaction events in a center-of-mass energy range Ecm = 1.2-4.5 MeV by means of the thick target method in inverse kinematics with (11)C radioactive beams. The (11)C beams were produced by the in-fight technique with CRIB (Center for Nuclear Study Radioactive Ion Beam separator. A (11)B(3+) primary beam at 4.6 MeV/u and with a maximum intensity of 1 pμA was bombarded to a cryogenic 1H gaseous target with a thickness of 1.2-1.7 mg/cm2. The secondary ions were purified by the double achromatic system and the Wien filter of CRIB. By switching the beam-line detectors with different thicknesses in the scattering chamber, we created (11)C beams at two different on-target energies 10.1±0.9 MeV and 16.9±0.7 MeV in order to cover a wide energy range. The experimental setup consisted of two beam-line monitors (PPAC: Parallel Plate Avalanche Counter or MCP: MicroChannel Plate detector), a 4He gaseous target, and ΔE-E position-sensitive silicon detectors at three different angles. We carefully designed the target length (140 mm) and pressure (400 Torr) and the incident beam energy in order to differentiate the ground- and the excited-state transitions in time of flight between the first PPAC and the silicon telescopes.

Although the separations in time between different transitions were not very clear, we successfully extracted the mixing ratios of the numbers of events of each transition by Gaussian fittings to the time spectra at every center-of-mass energy bin. since the angular distributions did not show strong dependence on angle, we made isotropy approximations although we had limited angular range of measurement.

In Fig. 1, the obtained astrophysical S-factors for (11)C(α, p0)(14)N (top), (11)C(α, p1)(14)N* (middle) and (11)C(α, p2)(14)N* (bottom) are shown. In the top figure, the previous (α, p0) S-factors of the fit with a quadratic function with its error ("CF88", dashed line and hatch), the Pade approximation ("Takacs03", dotted line) and the Hauser-Feshbach sta- tistical model calculation by the code NON-SMOKER(WEB) (dashed-dotted line) are shown together. In the middle and the bottom figures, the original Hauser-Feshbach calculations (dashed lines) and the normalized Hauser-Feshbach calculations by the logarithmic least squares method with their errors (solid lines and hatches) are shown. The errors of the CF88 S-factor for (α, p0) and the Hauser-Feshbach S-factors for (α, p1) and (α, p2) are defined as the logarithmic standard deviations from the present experimental data. We confirmed that the present (α, p0) excited function is eventually consistent with Takacs03. For the whole-energy S-factor of (α, p0), we adopted and those of CF88, and Takacs03 below and above the experimental energy range, respectively. For the whole-energy (α, p1) and the (α, p2) S-factors, we tentatively used the normalized Hauser-Feshbach ones for the energy ranges out of measurement.

Figure 2 shows the present (α, p0) (dotted line) and total (solid line) reaction rates and the previous recommended rate (dashed-dotted line) relative to the CF88 rate (dashed line). The errors of the present rates are drawn in hatches. In the vp-process temperature range, shown in the gray area, the present (α, p0) reaction rate is enhanced from the CF88 rate by 30% at most, mainly due to the resonance at E(cm) = 1:25 MeV which was not taken into account previously. The contribution from the (α, p1) and (α, p2) reaction rate to the total reaction rate is about 15% of the (α, p0) at most. The error of the total reaction rate is about 25% at T9 = 1:5 and 10% at T9 = 3. We confirmed that the previous total reaction rate is eventually consistent with the present one within its error, and the difference is less than 20%, which could results in no significant change on the stellar models.

Figure 1: S-factors for (11)C(α, p0)(14)N (top), (11)C(α; p1)(14)N* (middle) and (11)C(α, p2)(14)N*(bottom). In the top figure, the present (α, p0) S-factors (dots with error bars), the fit with a quadratic function with its error ("CF88", dashed line and hatch), the Pade approximation ("Takacs03", dotted line) and the Hauser-Feshbach statistical model calculation (dashed-dotted line) are shown. In the middle and the bottom figures, the (α, p1) and the (α, p2) S-factors, respectively, of the present experimental data (dotts with error bars), the original Hauser-Feshbach calculations (dashed lines) and the normalized Hauser-Feshbach calculations with their errors (solid lines and hatches) are shown. Gamow windows from T9 = 0:5-5 are also illustrated together as gray bars in the middle figure.

Figure 2: The present (α, p0) (dotted line) and total (solid line) reaction rates and the previous recommended rate (dashed-dotted line) relative to the CF88 rate (dashed line). The errors of the present rates are drawn in hatches. The temperature range of the vp-process are indicated in gray.

本論文は5章と五つの付録からなる。第1章は本研究の動機・背景、研究課題がまとめられている。第2章で実験装置、実験条件が説明され、第3章では装置の校正、データの解析法とともに実験結果が詳述されている。結果にたいする考察は第4章で行われており、第5章で研究全体をまとめている。

第1章では、元素の起源と銀河の進化に関する研究において、鉄よりも重い陽子過剰核側原子核(p-核)についての研究を概括している。最新の研究では、起源天体とその生成過程として、II型超新星爆発時の速い陽子捕獲過程(neutrino-induced rapid proton-capture process)が注目されている。定量的評価を進めるためには、高温(1.5-3x109K)で陽子過剰環境下でのp-p chain領域からCNO領域へと向かう径路、特に(11)C(α, p)(14)Nの正確な断面積が必要とされている。これまでの研究では、対応するエネルギー領域(重心系のエネルギーで0.74から2.7MeV)の逆反応(14)N (p, α) (11)Cの断面積データから、(14)N基底状態への断面積が用いられて来た。しかし、大きな不定要素となる励起状態への反応チャンネルからの寄与は実験的に調べられていない。そこで申請者は短寿命核(11)Cビームによる断面積の直接測定を提案した。

第2章では実験装置及び実験手法の詳細な説明がされている。本研究では低エネルギー(11)Cビームと厚いHeガス標的、3組のΔE-E型シリコンストリップ検出器による散乱陽子検出という実験手法を選んでいる。従来この手法は、高エネルギー分解能かつ高効率で励起関数が得られる手法として共鳴弾性散乱粒子の測定に用いられて来た。本研究では、この手法を改良して(14)Nの基底状態だけではなく励起状態への崩壊を識別観測するため、標的上流に設置したビームプロファイルカウンターを用いて標的とシリコン検出器間の陽子飛行時間測定を新たに目指した。詳細な系統誤差の評価などから、本手法による励起状態の分離可能性を示している。

実験は、理化学研究所に設置された東大原子核研究センターのインフライト型短寿命核ビーム生成装置CRIBを用いた。(11)B(p, n)反応により生成された(11)CをCRIBで分離・成形 (エネルギーは、10.1, 16.9 MeV/核子の2点)後、標的に照射して測定を行った。(11)Cビームは再加速型短寿命核施設での供給が難しく、本研究はCRIBにより初めて可能となった。

第3章で検出器の校正とともに、得られたデータの解析が行われている。解析のポイントは、散乱陽子のエネルギーと飛行時間の相関スペクトルから、(14)Nの終状態を特定する点にある。そのためにHe標的をArに置き換えて得られたデータによるバックグランド粒子の特定や、基底状態への散乱陽子を用いた飛行時間の正確な補正が行われている。最終的に飛行時間軸への射影スペクトルから、基底状態、第一、第二励起状態などへの崩壊強度分離導出に成功した。また散乱陽子の角度情報から、陽子は等方的に散乱したと仮定できる事が示され、この仮定に基づく反応断面積の誤差評価が行なわれている。

第4章において、得られた断面積データについての考察がなされている。新たに得られた(14)N基底状態の詳細な断面積は、従来の逆反応による結果を良く再現している事が示された。これから求めた反応率は、標準値として採用されている値(CF88)よりも最大で30%大きいことが分かった。原因はCF88で考慮されていない重心エネルギー1.25MeVの位置に見いだされた共鳴ピークからの寄与である。

第一、第二励起状態を誘起する反応チャンネル(α, pi, i=1,2)からの寄与は、基底状態への断面積に対して最大で15%となる事が初めて明らかとなった。全断面積から求めた反応率の比較では、今回の実験誤差(10 - 25 %)を考慮に入れると標準値(CF88)から最大で20%以下の相違であることから、p-核元素の起源天体モデルにおける生成シミュレーションに大きな影響を与えないことが示された。

本研究は13名の研究者との共同研究の成果であるが、実験装置、実験条件の最適化から、実験の遂行、データ解析および考察にわたって申請者が中心となり進めてきたと判断できる。特に散乱陽子の飛行時間とエネルギーの相関から終状態ごとの断面積データが得られる事に注目し、CRIBの特徴を最大限活かして実験を企画し、短寿命核(11)Cビームによる反応断面積の直接測定を初めて成功させた点は、研究者としての能力の高さを示すものである。よって審査員全員が本論文を博士(理学)の学位請求論文として合格であると判定した。博士の学位を授与できると認める。