[論文レビュー] The $^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li reaction and the Cosmological Lithium Problem: measurement of the cross section in a wide energy range at n_TOF (CERN)

L. Damone, M. Barbagallo+156 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、CERNのn_TOF施設において、Siテレサイコメータと高純度$^{7}$Be標本を用いて、熱的から325 keVの中性子エネルギーにわたる$^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li反応断面積を測定した。既存の評価と比較して低エネルギー域の断面積がやや高い結果を得たが、ビッグバン核合成（BBN）のエネルギー領域では時間反転データと整合性を保ち、宇宙論的リチウム問題への改善は限定的であった。

ABSTRACT

We report on the measurement of the $^{7}$Be($n, p$)$^{7}$Li cross section from thermal to approximately 325 keV neutron energy, performed in the high-flux experimental area (EAR2) of the n_TOF facility at CERN. This reaction plays a key role in the lithium yield of the Big Bang Nucleosynthesis (BBN) for standard cosmology. The only two previous time-of-flight measurements performed on this reaction did not cover the energy window of interest for BBN, and showed a large discrepancy between each other. The measurement was performed with a Si-telescope, and a high-purity sample produced by implantation of a $^{7}$Be ion beam at the ISOLDE facility at CERN. While a significantly higher cross section is found at low-energy, relative to current evaluations, in the region of BBN interest the present results are consistent with the values inferred from the time-reversal $^{7}$Li($p, n$)$^{7}$Be reaction, thus yielding only a relatively minor improvement on the so-called Cosmological Lithium Problem (CLiP). The relevance of these results on the near-threshold neutron production in the p+$^{7}$Li reaction is also discussed.

研究の動機と目的

• 過去の時間飛行測定における$^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li反応断面積の不一致を解消すること。
• ビッグバン核合成（BBN）に重要なエネルギー領域、特に熱的から約325 keVの範囲での断面積を測定すること。
• 測定された断面積が宇宙論的リチウム問題（CLiP）の解決に寄与するかどうかを評価すること。
• p+$^{7}$Li反応における閾値付近の中性子生成に関する結果の関連性を評価すること。

提案手法

• CERNのn_TOF施設の高フラックス実験領域（EAR2）で測定を実施した。
• Siテレサイコメータを用いて$^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li反応から発生する陽子を検出した。
• ISOLDE施設でイオンビームインプラント法により作製された高純度$^{7}$Be標本を用いた。
• 時間飛行分光法を用いて中性子エネルギーを特定し、広いエネルギー範囲にわたる断面積を測定した。
• 時間反転された$^{7}$Li(p,n)$^{7}$Be反応からの推定値と比較し、整合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BBN関連エネルギー領域における測定された$^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li断面積は、長年の過去の測定値の不一致を解消するか？
• RQ2 新しい断面積データは、特に低エネルギーの中性子領域において、現在の核データ評価とどのように比較されるか？
• RQ3 新しい測定により、宇宙論的リチウム-7濃度の不一致（宇宙論的リチウム問題）はどの程度軽減されるか？
• RQ4 測定された断面積は、p+$^{7}$Li反応における閾値付近の中性子生成にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 低エネルギー域の中性子エネルギーにおける測定断面積は、現在の評価と比較して顕著に高く、特に熱的エネルギー領域で顕著であった。
• BBN関連エネルギー領域（約325 keVまで）において、時間反転された$^{7}$Li(p,n)$^{7}$Be反応から推定された値と整合性を示した。
• 過去の時間飛行測定における不一致は解消され、本研究のデータは時間反転制約とより良好に一致した。
• 宇宙論的リチウム-7生成量の改善は限定的であり、宇宙論的リチウム問題の解決に与える影響は小さいことが示唆された。
• 結果から、BBNエネルギー領域における$^{7}$Be(n,p)$^{7}$Li断面積は現在、良好に制約されていることが示され、ビッグバン核合成計算における不確実性が低減された。