[論文レビュー] Experimental nuclear astrophysics in Italy

C. Broggini, O. Straniero+37 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 169被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、イタリアの実験的核物理学が、ビッグバン核合成から中性子星物質に至る星間環境における核反応を解明するためのインフラを提供する上で果たした主な貢献をレビューしている。現在および将来のINFN施設における実験が、核反応の高精度な測定と、ハイパーヌクレオや中性子星物質の状態方程式に関する独自の研究を含め、星の核合成過程や高密度物質の性質に関する理解を顕著に進展させた。

ABSTRACT

Nuclear astrophysics, the union of nuclear physics and astronomy, went through an impressive expansion during the last twenty years. This could be achieved thanks to milestone improvements in astronomical observations, cross section measurements, powerful computer simulations and much refined stellar models. Italian groups are giving quite important contributions to every domain of nuclear astrophysics, sometimes being the leaders of worldwide unique experiments. In this paper we will discuss the astrophysical scenarios where nuclear astrophysics plays a key role and we will provide detailed descriptions of the present and future of the experiments on nuclear astrophysics which belong to the scientific programme of INFN (the National Institute for Nuclear Physics in Italy).

研究の動機と目的

• イタリアの実験的核物理学が、INFNが主導する分野における現在の状況と将来の展望を要約すること。
• ビッグバン核合成、星の燃焼、爆発的核合成といった重要な天体物理学的プロセスを解明するためのイタリアの核物理学実験の役割を明示すること。
• ハイパーヌクレオやカリオン原子を含む、高密度・超高密度物質の状態方程式に貢献する独自の実験を強調すること。
• イタリア主導の実験が、太陽ニュートリノスペクトルや核種合成環境といった天体物理学的モデルにどのように重要な入力を与えるかを示すこと。
• SPES、3.5 MV加速器、LNSにおける希ガスおよび長寿命同位体ビームを含む、将来の実験的環境の概要を提示すること。

提案手法

• 星の環境に特有の低エネルギー核断面積を測定するため、LUNA、n_TOF、SPES、ALICEなど、INFN主導の多数の実験データを活用する。
• 低エネルギー加速器を用いた逆運動学的測定により、天体物理学的S因子および反応率の高精度測定を実施する。
• DAFNEおよびJ-PARCでの低エネルギーカリオンビームを用いて、カリオン-核子およびカリオン原子の相互作用を研究し、中性子過剰物質の状態方程式を探る。
• J-PARCのULYSSES実験を用いて、ハイパーヌクレオの系統的調査を実施し、高密度物質における三体力およびストレンジネスの性質を解明する。
• SIDDHARTA-2、AMADEUS、その他の共同研究から得られたデータを統合し、ストレンジネス豊富な最終状態における分岐比および断面積を解明する。
• 発展したシミュレーションおよび理論的モデル（ちからの力学、ポテンシャルモデル）を用いて実験結果を解釈し、中性子星の状態方程式を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イタリアの核物理学グループが、ビッグバンおよび星における核合成の理解に貢献した主な実験的成果は何か？
• RQ2 LUNA や n_TOF などの実験で測定された低エネルギー核断面積は、星の燃焼および核合成モデルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 カリオン-核子およびハイパーヌクレオ実験は、高密度および中性子過剰物質の状態方程式にどのような知見を提供するか？
• RQ4 カリオン原子およびハイパーヌクレオの測定は、中性子星におけるストレンジ粒子の相互作用をどのように制約するか？
• RQ5 将来のビーム施設（SPES、3.5 MV、希ガスビーム）は、イタリアにおける実験的核物理学の進展にどのように貢献するか？

主な発見

• イタリアの実験は、太陽ニュートリノスペクトルの正確な計算およびビッグバン核合成における核種の豊度予測に、根幹的な入力を提供した。
• LUNA実験は、太陽ニュートリノフラックスの予測に不可欠な、7Be(p,γ)8B反応断面積を天体物理学的関連エネルギー領域で高精度に測定した。
• n_TOFは、s過程およびp過程の核種に対する中性子捕獲断面積の高精度データを提供し、核合成ネットワークモデルの改善に貢献した。
• AMADEUS共同研究は、100 MeV/c未満のカリオン-核子相互作用における分岐比および断面積を解明し、中性子星物質の状態方程式に対する新たな制約を可能にした。
• SIDDHARTA-2は2019–2020年にカリオンヘリウム原子の遷移を成功裏に測定し、カリオン原子の準位シフトおよび幅の直接観測を初めて達成した。
• J-PARCのULYSSES実験により、6ΛH や 9ΛHe などの中性子過剰 Λハイパーヌクレオの系統的調査が可能となり、中性子星物質におけるΛN–ΣN混合および三体力に制約が与えられた。