[論文レビュー] PANDORA project: photo-nuclear reactions below $A=60$

A. Tamii, L. Pellegri+79 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2022

Nuclear physics research studies参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

PANDORAプロジェクトは、陽子散乱による仮想光子励起とレーザー・コンプトン効果γビームを用いた実光子吸収を用いて、軽い核（A < 60）における光核反応を調査し、光吸収断面積と崩壊分岐比を測定する。この研究は、高度な核モデルとTALYS反応コードを統合することで不確実性を低減し、超高エネルギー宇宙線の銀河間空間内での伝播を再現する宇宙物理学的シミュレーションを可能にする。

ABSTRACT

Photo-nuclear reactions of light nuclei below a mass of $A=60$ are studied experimentally and theoretically by the PANDORA (Photo-Absorption of Nuclei and Decay Observation for Reactions in Astrophysics) project. Two experimental methods, virtual-photon excitation by proton scattering and real-photo absorption by a high-brilliance gamma-ray beam produced by laser Compton scattering, will be applied to measure the photo-absorption cross sections and the decay branching ratio of each decay channel as a function of the photon energy. Several nuclear models, e.g. anti-symmetrized molecular dynamics, mean-field type models, a large-scale shell model, and ab initio models, will be employed to predict the photo-nuclear reactions. The uncertainty in the model predictions will be evaluated from the discrepancies between the model predictions and the experimental data. The data and the predictions will be implemented in a general reaction calculation code TALYS . The results will be applied to the simulation of the photo-disintegration process of ultra-high-energy cosmic rays in inter-galactic propagation.

研究の動機と目的

• 光子エネルギーの範囲にわたって、軽い核（A < 60）における光吸収断面積と崩壊分岐比を体系的に測定すること。
• 高精度な実験データと理論的予測を比較することで、光核反応に関する理論的予測の不確実性を低減すること。
• 実験的および理論的結果をTALYS反応コードに統合し、宇宙物理学および核技術分野への応用を広げること。
• 改善された核反応入力を用いて、銀河間空間における超高エネルギー宇宙線の光核崩壊をシミュレートすること。
• 正確な反応データを基に、核宇宙物理学、放射線安全、医療用アイソトープ生成、および雷誘発γ線放射と陽電子生成の理解を支援すること。

提案手法

• 軽い核に対する陽子散乱を用いて仮想光子励起を実施し、間接的に光反応強度関数を調査する。
• RCNP、iThemba LABS、ELI-NPなどの施設で、レーザー・コンプトン効果により生成された高輝度γ線を用いて、直接的な実光子吸収測定を実施する。
• 入射光子エネルギーの関数として、光吸収断面積および崩壊分岐比（例：(γ,n)、(γ,p)、(γ,2n)）を測定する。
• 複数の理論的モデル（反対称化分子動力学（AMD）、平均場モデル、大規模殻模型、核中心殻模型（NCSM））を用いて反応を予測する。
• 実験データとの比較により予測の不確実性を評価し、その乖離をTALYSにフィードバックして反応モデルの改善を図る。
• 実験的および理論的データをすべてTALYS反応コードに統合し、宇宙物理学的および技術的シミュレーションへの応用を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子エネルギーの関数として、軽い核（A < 60）における正確な光吸収断面積と崩壊分岐比は何か？
• RQ2 AMD、平均場、殻模型、ab initio NCSMといった異なる核モデルは、光核反応の反応速度をどのように予測するのか？また、それらの系統的不確実性は何か？
• RQ3 陽子散乱およびレーザー・コンプトンγビームからの実験データは、理論的予測と既存データとの乖離をどの程度解消できるか？
• RQ4 改善された核反応入力は、銀河間空間における超高エネルギー宇宙線の光核崩壊シミュレーションにどのように影響を与えるか？
• RQ5 大気中における雷誘発γ線放射と陽電子生成において、光核反応が果たす役割は何か？

主な発見

• PANDORAプロジェクトは、陽子散乱とレーザー・コンプトンγビームの2つの補完的実験手法を用いて、軽い核（A < 60）における光核反応データを測定することを計画している。
• RCNPでは2022年、iThemba LABSでは2023年に、核物理学実験の初回ビームが予定されており、ELI-NPのLCSγビーム施設の初期稼働は2023年末までに予定されている。
• 系統的なデータ収集は5〜10年間を想定しており、光反応断面積および分岐比の包括的マップ作成が可能になる。
• AMD、平均場、大規模殻模型、核中心殻模型を含む理論的モデルを用いて反応を予測し、実験データとの比較により不確実性を評価する。
• 実験データとモデルの不確実性をTALYS反応コードに統合することで、銀河間空間における超高エネルギー宇宙線伝播のシミュレーションが向上する。
• 本プロジェクトは、医療用アイソトープ生成、放射線安全、大気中における雷誘発核反応の理解など、多様な応用を支援する。