[논문 리뷰] Weak e+e- lines from internal pair conversion observed in collisions of 238U with heavy nuclei

S. Heinz, E. Berdermann외 10명|CERN Bulletin|1997. 06. 25.

X-ray Spectroscopy and Fluorescence Analysis인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 238U와 중수성 타겟(206Pb, 181Ta) 간의 고에너지 이온 충돌에서 쿨롱 장벽 근처에서 내부 쌍생성(Internal Pair Conversion, IPC)에 의한 약한 e+e− 선을 최초로 관측했다. GSI의 듀얼-오렌지 분광계를 이용한 도플러-보정 e+e− 동시성 스펙트로스코피를 통해, 저명한 γ선 전이(206Pb에서 1.844 MeV E1, 207Pb에서 1.770 MeV M1)와 일치하는 에너지에서 IPC 선을 규명하였으며, 이론적 IPC 계수와 측정된 γ선 자극 단면적과 일치하는 단면적을 보이며 배경 기여 없이 IPC가 이러한 전이에서 지배적임을 확인하였다.

ABSTRACT

We present the results of a Doppler-shift correction to the measured e+e- sum-energy spectra obtained from e+e- coincidence measurements in 238U + 206Pb and 238U + 181Ta collisions at beam energies close to the Coulomb barrier, using an improved experimental setup at the double-Orange spectrometer of GSI. Internal-Pair-Conversion (IPC) e+e- pairs from discrete nuclear transitions of a moving emitter have been observed following Coulomb excitation of the 1.844 MeV (E1) transition in 206Pb and neutron transfer to the 1.770 MeV (M1) transition in 207Pb. In the collision system 238U + 181Ta, IPC transitions were observed from the Ta-like as well as from the U-like nuclei. In all systems the Doppler-shift corrected e+e- sum-energy spectra show weak lines at the energies expected from the corresponding $γ$-ray spectra with cross sections being consistent with the measured excitation cross sections of the $γ$ lines and the theoretically predicted IPC coefficients. No other than IPC e+e- sum-energy lines were found in the measured spectra. The transfer cross sections show a strong dependence on the distance of closest approach (R_min), thus signaling also a strong dependence on the bombarding energy close to the Coulomb barrier.

연구 동기 및 목표

• 238U와 중핵 타겟을 포함한 고에너지 이온 충돌에서 발생하는 내부 쌍생성에 기인한 약한 e+e− 선을 탐지하고 특성화하는 것.
• 고해상도 e+e− 동시성 스펙트로스코피를 이용해 쿨롱 장벽 근처의 핵반응에서 IPC 과정을 관측할 수 있는 가능성을 탐구하는 것.
• 측정된 e+e− 합에너지 스펙트럼을 γ선 자극 데이터와 비교하여 이론적 IPC 단면적 예측을 검증하는 것.
• 이러한 고에너지 충돌 체계에서 IPC 기여 외의 기여 또는 배경 과정이 지배적인지 여부를 판단하는 것.

제안 방법

• 쿨롱 장벽 근처의 비틀림 에너지에서 238U + 206Pb 및 238U + 181Ta 충돌에서 발생하는 e+e− 동시성 사건을 GSI의 듀얼-오렌지 분광계를 이용해 측정하였다.
• 방출 핵의 운동을 고려하기 위해 측정된 e+e− 합에너지 스펙트럼에 도플러-보정을 적용하였다.
• 보정된 스펙트럼을 분석하여 이산 핵 전이에서 발생하는 γ선의 내부 쌍생성에 해당하는 날카운 선을 식별하였다.
• 관측된 e+e− 선 단면적을 별도로 측정한 γ선 자극 단면적과 이론적으로 예측된 IPC 계수와 비교하였다.
• 측정된 단면적과 예측된 단면적 간의 일치를 핵심 기준으로 삼아 선의 IPC 기원을 확인하였다.
• 쿨롱 장벽 근처에서의 입사 에너지 의존성과 연관된 가장 가까운 접근 거리(R_min)에 따른 전이 단면적의 체계적 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쿨롱 장벽 근처의 고에너지 이온 충돌에서 내부 쌍생성(IPC)에 기인한 e+e− 선을 실험적으로 해상할 수 있는가?
• RQ2 관측된 e+e− 합에너지 선은 알려진 γ선 전이에 대한 이론적 IPC 단면적 예측과 일치하는가?
• RQ3 측정된 e+e− 선 단면적은 동일한 반응 체계에서 별도로 측정된 γ선 자극 단면적과 일치하는가?
• RQ4 전이 단면적은 가장 가까운 접근 거리(R_min)에 따라 측정 가능한 의존성을 보이며, 쿨롱 장벽 근처에서 에너지 및 역학적 민감성이 높은가?
• RQ5 e+e− 스펙트럼에 브레머스트랄링 또는 기타 배경 과정과 같은 IPC 외 기여가 존재하는가?

주요 결과

• 238U + 206Pb 및 238U + 181Ta 충돌에서 각각 1.844 MeV와 1.770 MeV에서 약한 e+e− 선이 관측되었으며, 이는 알려진 E1 및 M1 γ선 전이 에너지와 일치하였다.
• 측정된 e+e− 선 단면적은 이론적 IPC 계수와 별도로 측정된 γ선 자극 단면적과 일치하는 것으로 확인되었다.
• IPC 기여 외에 추가적인 e+e− 합에너지 선은 관측되지 않아 배경 또는 비-IPC 기여가 최소한임을 시사하였다.
• 전이 단면적은 가장 가까운 접근 거리(R_min)에 강한 의존성을 보이며, 쿨롱 장벽 근처에서의 입사 에너지에 대한 높은 민감성을 나타내었다.
• 도플러-보정된 스펙트럼은 선의 운동역학적 기원을 확인하였으며, 분광학적 재구성 방법의 타당성을 검증하였다.
• 결과는 쿨롱 장벽 에너지에서 고에너지 이온 충돌에서 IPC e+e− 선에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공하였으며, 이론적 예측이 새로운 영역에서 확인됨을 입증하였다.