[論文レビュー] Double charge exchange ($^{11}$B,$^{11}$Li) reaction for double beta decay response

K. Takahisa, H. Ejiri+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2017

Nuclear physics research studies被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、80 MeV/Aのエネルギーで $^{11}$B($^{11}$Li)二重電荷交換反応（DCER）を調べ、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊（DBD）に関連するスピン・アイソスピン応答を調べる。実験では、特に $^{56}$Feにおいて、高励起領域に強いDBD強度の集中が観測され、5 MeV未満の低励起状態ではほとんど強度が観測されず、DCERがDBD行列要素を研究するための実用的手段であることが示された。

ABSTRACT

The ($^{11}$B,$^{11}$Li) double charge-exchange reaction (DCER) at $E(^{11}$B)/$A$=80 MeV was measured for the first time to demonstrate the feasibility of the reaction for studying neutrino nuclear responses for double beta decays (DBD). The $^{13}$C($^{11}$B,$^{11}$Li)$^{13}$O reaction shows strengths at the ground state and low and high excitation giant resonance regions. The $^{56}$Fe ($^{11}$B,$^{11}$Li) $^{56}$Ni reaction shows the large strengths in the possible double giant resonance region and beyond, but shows no strengths in the low excitation region below 5 MeV, suggesting strong concentration of the DBD strength at the high excitation region. The DCER is used to evaluate the spin isospin strengths relevant to DBD responses.

研究の動機と目的

• 二重ベータ崩壊（DBD）核行列要素に関連するスピン・アイソスピン行列要素を調べるための $^{11}$B($^{11}$Li)二重電荷交換反応（DCER）の実用可能性を評価すること。
• DBD応答に関連する $^{13}$Cおよび $^{56}$Feにおけるスピン・アイソスピン遷移強度を測定すること。
• 特に巨大共鳴領域および高励起領域において、DBD強度の分布を調査すること。
• DCERが低励起状態の背景状態を抑制しつつ、DBD関連遷移の主要な高励起状態に選択的にアクセスできるかどうかを検討すること。
• 関連核における応答関数の測定を通じて、理論的モデルの実験的ベンチマークを提供し、二重ベータ崩壊の理論的理解を支援すること。

提案手法

• $^{13}$Cおよび $^{56}$Fe標的に $^{11}$Bビーム（80 MeV/A）を照射し、二重電荷交換反応を誘発した。
• 高分解能磁気分光器を用いて $^{11}$B($^{11}$Li)反応生成物を測定し、最終状態の励起状態を特定した。
• 励起エネルギースペクトルを解析して、基底状態および巨大共鳴領域における遷移強度を抽出した。
• $^{13}$Cおよび $^{56}$Feにおける観測された強度分布を比較し、DBD応答の集中パターンを特定した。
• 測定されたスピン・アイソスピン強度分布を用いて、DCERがDBD行列要素を調べる上でどの程度関連しているかを推定した。
• 特に5 MeV未満の低励起状態における強度の有無・無し、および二重巨大共鳴ピークを超える高励起領域における強度の有無に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $^{11}$B($^{11}$Li)二重電荷交換反応が、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊に関連するスピン・アイソスピン行列要素を効果的にプローブできるか。
• RQ2 $^{56}$Feの励起スペクトルにおいて、二重ベータ崩壊応答の主な強度はどこに分布しているか。
• RQ3 DCER反応が、DBD信号を模倣または隠蔽する可能性がある低励起領域（5 MeV未満）に顕著な強度を示すか。
• RQ4 $^{13}$Cおよび $^{56}$Feにおける測定された遷移強度は、DBD応答に関する理論予測とどの程度一致するか。
• RQ5 DCERが、DBD行列要素が主に支配する高励起領域にどの程度選択的にアクセスできるか。

主な発見

• $^{13}$C($^{11}$B,$^{11}$Li)$^{13}$O反応は、基底状態および低励起・高励起の巨大共鳴領域の両方で測定可能な強度を示した。
• $^{56}$Fe($^{11}$B,$^{11}$Li)$^{56}$Ni反応は、特に二重巨大共鳴領域およびその領域を超える高励起領域で大きな遷移強度を示した。
• $^{56}$Fe反応では5 MeV未満の励起エネルギーで顕著な強度は観測されず、低励起遷移の強い抑制が示された。
• DBD強度が高励起領域に集中していることから、DCERがDBD行列要素の主要成分を選択的にプローブしていることが示唆された。
• 低励起状態に強度がほとんどないことから、DCERが低励起状態の汚染を最小限に抑えた、高励起DBD応答を調べるためのクリーンなプローブとして利用可能であることが裏付けられた。
• 結果として、$^{11}$B($^{11}$Li)DCERが、二重ベータ崩壊に関連するスピン・アイソスピン応答を測定するための実用的手段であることが妥当であると確認された。