[論文レビュー] Gamma Ray Spectra from Thermal Neutron Capture on Gadolinium-155 and Natural Gadolinium

Tomoyuki Tanaka, K. Hagiwara+19 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2019

Nuclear Physics and Applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、J-PARCのANNRIゲルマニュウム分光計で得られた高分解能測定に基づき、155Gdおよび天然ジスプロシウムにおける熱中性子捕獲によるガンマ線スペクトルの洗練されたモンテカルロモデル（ANNRI-Gd）を提示する。このモデルは、単一および複数ガンマ線事象において実験データと優れた一致を示し、従来のシミュレーションにおける不一致を解消し、ニュートリノおよびダークマター実験における中性子タギングの正確性を向上させる。

ABSTRACT

Natural gadolinium is widely used for its excellent thermal neutron capture cross section, because of its two major isotopes: $^{ m 155}$Gd and $^{ m 157}$Gd. We measured the $γ$-ray spectra produced from the thermal neutron capture on targets comprising a natural gadolinium film and enriched $^{ m 155}$Gd (in Gd$_{2}$O$_{3}$ powder) in the energy range from 0.11 MeV to 8.0 MeV, using the ANNRI germanium spectrometer at MLF, J-PARC. The freshly analysed data of the $^{ m 155}$Gd(n, $γ$) reaction are used to improve our previously developed model (ANNRI-Gd model) for the $^{ m 157}$Gd(n, $γ$) reaction, and its performance confirmed with the independent data from the $^{ m nat}$Gd(n, $γ$) reaction. This article completes the development of an efficient Monte Carlo model required to simulate and analyse particle interactions involving the thermal neutron captures on gadolinium in any relevant future experiments.

研究の動機と目的

• ニュートリノおよびダークマター検出器における中性子タギングに不可欠な、155Gdおよび天然ジスプロシウムにおける熱中性子捕獲からのガンマ線放射を正確に再現するモンテカルロモデルの開発。
• 特に2–3 MeV領域におけるM1/E2遷移に起因する微細構造が重要な領域で、既存のモンテカルロシミュレーションに見られる不一致を解消すること。
• 新規に測定された155Gd(n,γ)データを統合することで、155Gdおよび157Gd反応両方の精度を向上させたANNRI-Gdモデルの改善。
• 自然ジスプロシウム(n,γ)の独立したデータを用いたモデルの妥当性評価により、複雑な検出器シミュレーションへの応用可能性を確認。
• 将来のGdドープ検出器における中性子相互作用のシミュレーションに向け、完全で効率的かつ実験的に検証済みのモデルを提供すること。

提案手法

• J-PARCのMLF施設に設置された高分解能・低バックグラウンドのANNRIゲルマニュウム分光計を用いて、強化された155Gdおよび天然Gdにおける熱中性子捕獲からのガンマ線スペクトルを測定。
• 高い統計的精度と優れたエネルギー分解能（0.11–8.0 MeV）を達成し、単一および複数ガンマ線事象（M=1, M=2, M=3）の詳細な解析を可能にした。
• レベル密度分布、スピン・パリティの割り当て、および電磁遷移強度（E1, M1, E2）を、正および負パリティ状態の両方を含めて組み込んだモンテカルロモデル（ANNRI-Gd）を構築。
• 測定された155Gd(n,γ)スペクトルを用いたモデルキャリブレーションと、nat Gd(n,γ)データを用いた妥当性確認により、同素体間の一貫性を確保。
• 離散的準位構造と崩壊経路を高精度にモデル化することで、キャスケード遷移および多重度分布（例：M1H1, M1H2, M2H2）を考慮。
• DANCEおよび過去の文献からの独立したデータと比較し、Daya Bay共同研究グループのモデルとも比較することで、優れた一致を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱中性子捕獲による155Gdおよび天然ジスプロシウムからの全ガンマ線エネルギースペクトルを、モンテカルロモデルがどの程度正確に再現できるか。
• RQ2 2–3 MeV領域における低励起M1およびE2遷移（例：スカイサーズモード）は、ガンマ線スペクトルの形状にどのような役割を果たし、信頼性の高い方法でモデル化できるか。
• RQ3 新しいANNRI-Gdモデルは、155Gd(n,γ)および157Gd(n,γ)反応の従来のモンテカルロシミュレーションで観測された不一致をどの程度解消できるか。
• RQ4 モデルは、崩壊キャスケードにおける複数ガンマ線事象の多重度（M=2, M=3）およびそれらの相対割合を正確に再現できるか。
• RQ5 捕獲断面積およびガンマ線生成量が異なる複数の同素体を含む天然ジスプロシウムに適用した場合、モデルの性能はいかがであるか。

主な発見

• ANNRI-Gdモデルは、全エネルギー範囲（0.11–8.0 MeV）における200 keVエネルギー分割で、測定された155Gd(n,γ)スペクトルと約17%以内の一致を達成。
• 単一ガンマ線事象（M=1）においても、支配的であるM1H1およびM1H2サブサンプルを含め、スペクトルの大部分でデータ/モンテカルロ比が10%以内に収束し、優れた一致を示した。
• 複数ガンマ線事象（M=2およびM=3）においても、155Gdおよびnat Gd両ケースでM2H2およびM3H3サブサンプルの相対的割合とスペクトル形状を高い忠実度で再現。
• 2–3 MeV領域におけるM1/E2遷移が重要な領域で、従来のシミュレーションに見られた不一致を正確に解消し、スペクトルの粗い形状および微細構造を的確に再現。
• Daya Bay共同研究グループのモデルと比較した結果、2 MeV以上ではモデル1（ネイティブGeant4）と最も一致が良かったが、2 MeV未満ではANNRI-Gdモデルがはるかに正確な記述を提供した。
• 155Gd(n,γ)データの組み込みにより、155Gdおよび157Gd両反応を包括的かつ一貫性のあるモデルとして完成させ、天然ジスプロシウムにおける中性子捕獲のシミュレーションフレームワークを完全に構築した。