[論文レビュー] Charge-state distributions of highly charged lead ions at relativistic collision energies

F. M. Kröger, G. Weber+6 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2021

Atomic and Molecular Physics参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、4.2および5.9 GeV/uのエネルギーでアルミニウムストリッパー膜を通る相対論的鉛イオン（Pb54+ から無電荷Pb）の電荷状態の進化を、理論的電子損失および捕獲断面積を用いたBREITコードでモデル化する。Pb81+およびPb80+イオンの収率を最大化する最適な膜厚さと材料を予測し、ガンマファクトリー計画のガンマ線ビーム生成に不可欠なイオンを効率よく得るための支援を行う。高エネルギー領域における限られた実験データと良好な一致を示す。

ABSTRACT

Presented is a study of the charge-state evolution of relativistic lead ions passing through a thin aluminum stripper foil. It was motivated by the Gamma Factory project at CERN, where optical laser pulses will be converted into intense gamma-ray beams with energies up to a few hundred MeV via excitation of atomic transitions in few-electron heavy-ions at highly relativistic velocities. In this study all charge-states starting from Pb$^{54+}$ up to bare ions are considered at kinetic projectile energies of 4.2 and 5.9 GeV/u. To this purpose the BREIT code is employed together with theoretical cross-sections for single-electron loss and capture of the projectile ions. To verify the predicted charge-state evolution, the results are compared to the very few experimental data being available for highly-relativistic lead beams. Reasonable agreement is found, in particular for the yields of Pb$^{80+}$ and Pb$^{81+}$ ions that were recently measured using an aluminum stripper foil located in the transfer beam line between the PS and SPS synchrotron accelerators at CERN. The present study lays the groundwork to optimize the yields of charge states of interest for experiments within the scientific program of the future Gamma Factory project.

研究の動機と目的

• 4.2および5.9 GeV/uのエネルギーで、薄いアルミニウムストリッパー膜を通過する相対論的Pb54+イオンの電荷状態進化をモデル化すること。
• ガンマファクトリー計画の支援を目的とし、Pb81+およびPb80+のような少数電子を有する重イオンを効率よく生成するための最適なストリッピング条件を同定すること。
• Pb54+の完全な電子配置を考慮した相対論的高エネルギー領域における適用可能なシミュレーションコードの不足を補完すること。
• 非平衡状態における望ましい電荷状態収率を最大化するための膜材料および厚さの選定に理論的根拠を提供すること。
• CERNのTT2ビームラインからの利用可能なデータと照合することで、予測のベンチマークを実施し、実験的最適化を可能にすること。

提案手法

• イオンビームの電荷状態遷移を記述するバランスレート方程式を解くためのBREITコードを用いる。
• Pb54+から無電荷Pbまでの全電荷状態に対して、単一電子損失および捕獲プロセスの理論的断面積を入力する。
• 4.2および5.9 GeV/uの入射エネルギーで、異なる厚さのアルミニウム膜を通るイオンビームの進化をシミュレートする。
• 相対論的効果を含む高度な原子物理学モデルから導出された相対論的電子損失および捕獲断面積を用いる。
• CERNのTT2転送ラインで測定されたPb80+およびPb81+収率の実験データと照合し、予測の妥当性を検証する。
• 薄い膜の制限により平衡状態を仮定せず、非平衡電荷状態分布に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5.9 GeV/uでPb81+およびPb80+イオンの収率を最大化するための最適なアルミニウム膜の厚さと材料は何か？
• RQ2 理論的電子損失および捕獲断面積は、相対論的Pb54+イオンの非平衡電荷状態分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 BREITコードの予測は、相対論的エネルギー領域における高電荷状態鉛イオンの既存実験データとどの程度一致するか？
• RQ4 相対論的効果は、膜ストリッピング過程における高電荷状態鉛イオンの電子損失および捕獲ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 重イオンの相対論的領域における電荷状態予測の精度を制限する主な要因は何か？

主な発見

• ユーザーが提供する断面積を用いたBREITコードは、5.9 GeV/uにおけるPb54+イオンの電荷状態進化を成功裏にモデル化でき、Pb80+およびPb81+収率の実験データと一致した。
• 5.9 GeV/uにおけるPb80+およびPb81+イオンの予測収率と測定値の間には良好な一致が得られ、理論的手法の妥当性が裏付けられた。
• 本研究では、ガンマファクトリーのガンマ線ビーム生成に不可欠なPb81+およびPb80+イオンの生成を最大化するための膜厚さと材料パrameterが同定された。
• これらのエネルギー領域では損失が捕獲を上回り、高電荷状態への強いバイアスが生じるが、薄い膜では非平衡効果が顕著に現れる。
• 低い誤差許容度では理論的不確実性が高くなると予想されるが、今後は新しいストリッパー標的ステーションからの実験データによりモデルの精錬が可能になる。
• 本モデルは、高エネルギー領域におけるPb79+生成を焦点とするガンマファクトリー実証実験のビーム準備に予測的フレームワークを提供する。