[論文レビュー] Determination of $^{170,172}$Yb($α,n$)$^{173,175}$Hf reaction cross sections in a stacked-target experiment

Martin Müller, Felix Heim+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2026

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ひとこと要約

著者らは170Yb(α,n)173Hfおよび172Yb(α,n)175Hfの断面積をスタックドターゲット活性化法で測定し、Mnベンチマークで検証、TALYS alpha-OMP予測と比較してデータを再現するいくつかのアルファ-光学模型ポテンシャルを強調した。

ABSTRACT

The ytterbium isotopic chain offers multiple stable isotopes on which cross sections can be measured and insights into the evolution of the $α$ optical-model potential with the neutron-to-proton ratio can be gained. It also includes the $p$ nucleus $^{168}$Yb, the abundance of which is significantly impacted by the $^{164,166}$Yb($α,γ$) reactions. In order to study the $^{170,172}$Yb($α,n$)$^{173,175}$Hf reaction cross sections and compare them with $^{168}$Yb($α,n$)$^{171}$Hf cross sections, that have already been measured, the activation method was used. During irradiation the targets were arranged in stacks of four to reduce the required irradiation time. The average interaction energy inside each ytterbium layer was determined via Geant4 simulations. A manganese layer was used to verify the simulations by comparing the measured $^{55}$Mn($α,(2)n$)$^{57,58}$Co reaction cross sections to previous results. For irradiation the 10 MV FN tandem accelerator located at the University of Cologne was used and the activation measurement was performed utilizing the Cologne Clover Counting setup. For the $^{170}$Yb($α,n$) reaction seven cross sections at center-of-mass energies between 12.7 and 16.5 MeV were measured. For the $^{172}$Yb($α,n$) reaction six cross sections for center-of-mass energies of 13.1 to 16.5 MeV could be determined with an additional upper limit at E$_{c.m.}$ = 12.3 MeV. Comparisons to theoretical models show that state-of-the-art $α$-optical model potentials are able to reproduce the measured cross sections very well. The ratios of ($α, n$) reaction cross sections in the ytterbium isotopic chain can be accurately reproduced as well.

研究の動機と目的

• p過程反応に関連するアルファ核光学模型ポテンシャル（OMPs）を制約する。
• Hauser-Feshbach入力を検証するために170Yb(α,n)173Hfおよび172Yb(α,n)175Hfの実験的断面を取得する。
• ベンチマーク反応とシミュレーションで活性化法スタックドターゲット法を検証する。
• Ytterbium同位体間の断面比を通じてアルファOMPの進化を評価する。

提案手法

• アルミバックアップ付きスタックド4ターゲット室を用いた活性化測定とマンガネンベンチマーク層。
• Geant4に基づく相互作用エネルギーとターゲット厚さ不確定性の決定；Srimのクロスチェック。
• コロンブ Clover Counting セットアップによるガンマ線分光法で複数の線と背景から生産量を抽出。
• 低エネルギー170Ybターゲットを用いた背景 subtraction により175Hf信号を分離し不確定性を伝搬。
• 11–15.7 MeVレンジでの55Mn(α,2n)57,58Co参照反応で正規化と検証。
• TALYS-1.95を用いてさまざまなα-OMPモデル（Demetriou、Avrigeanu、Mohr、McFadden–Satchler、Koning）で理論断面を計算しデータと比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最先端のα-OMPモデルは実測の170Ybおよび172Ybのα誘発(n)断面を実験的不確かさの範囲内で再現できるか。
• RQ2 実験で決定された断面とYb同位体間の比が、α-OMPの中性子・陽子比の変化に伴う進化をどのように制約するか。
• RQ3 異なるα-OMPパラメータ化が予測断面と天体反応率の外挿に与える影響は何か。
• RQ4 スタックドターゲット法とGeant4エネルギー損失モデリングは、これらの反応の相互作用エネルギーとターゲット厚さ不確定性を信頼性高く決定できるか。
• RQ5 Koning等の選択的α-OMPを用いたTALYS予測は、Yb–Hf連鎖における測定断面とその比をどれほど再現するか。

主な発見

• 170Yb(α,n)173HfのEcm = 12.7–16.5 MeVで7つの断面を測定。
• 172Yb(α,n)175HfのEcm = 13.1–16.5 MeVで6つの断面を測定、12.3 MeVで上限を示す。
• すべての測定断面は、最新世代のα-OMP入力によって理論モデルで非常に良く再現される。
• 同位体間の断面比は理論によって正確に再現され、比は主要パラメータ感度を特定するのに役立つ。
• バックグラウンド subtraction により実験感度が約4倍改善。
• ベンチマークの55Mn(α,2n)57,58Co反応が活性化法とエネルギー損失シミュレーションを検証。