Evaluations of uncertainties in simulations of propagation of ultrahigh-energy cosmic-ray nuclei derived from microscopic nuclear models

木戸 英治*; 稲倉 恒法*; 木村 真明*; 小林 信之*; 長瀧 重博*; 清水 則孝*; 民井 淳*; 宇都野 穣

Astroparticle Physics, 152, p.102866_1 - 102866_12, 2023/10

https://doi.org/10.1016/j.astropartphys.2023.102866

宇宙からはeVにもなる超高エネルギー宇宙線が降ってくるが、その天文学的起源は明らかになっていない。何らかの理由で非常に強く加速された原子核が宇宙背景輻射との相互作用を受け、地球に到達するとされているが、加速された原子核と宇宙背景輻射との相互作用(静止系ではMeV単位のガンマ線との相互作用に相当)が完全にはわかっていないために、もともとの粒子の性質を評価しにくいという問題点があった。この論文では、光核反応模型として、TALYSコードに入っている標準的に使われているものと乱雑位相近似計算によるものを使い、その両者から得られる宇宙線のスペクトルを比較した。その結果、両者には無視できない差があり、光核反応断面積を測定あるいは理論計算によって正確に得る必要があることがわかった。

Photonuclear reactions in lightning, 1; Verification and modeling of reaction and propagation processes

和田 有希*; 榎戸 輝揚*; 中澤 知洋*; 小高 裕和*; 古田 禄大; 土屋 晴文

Journal of Geophysical Research; Atmospheres, 125(20), p.e2020JD033193_1 - e2020JD033193_17, 2020/10

https://doi.org/10.1029/2020JD033193

We report simulation results of photonuclear reactions in the atmosphere triggered by a downward terrestrial gamma-ray flash in lightning. Possible channels of reactions in the atmosphere and their cross sections are verified with the ENDF/B-VII.1 library. Monte-Carlo simulations with two stages are then performed with the Geant4 framework. In the first stage, electrons following the relativistic runaway electron avalanche spectrum are produced in a mass model of the atmosphere, and production of photoneutrons and -decay nuclei is calculated based on the nuclear data library. In total 1 neutrons and 4 -decay nuclei are produced by energetic electrons above 1 MeV. In the second stage, propagation of the photoneutrons and positrons from the -decay nuclei in the previous stage is calculated. As a result, we model on-ground distributions of fluxes and energy spectra for neutrons, neutron-related gamma rays, and annihilation ones. The simulation model is to be compared with photonuclear events detected in low-charge-center winter thunderstorms.

Neutron emission spectrum from gold excited with 16.6 MeV linearly polarized monoenergetic photons

桐原 陽一; 中島 宏; 佐波 俊哉*; 波戸 芳仁*; 糸賀 俊朗*; 宮本 修治*; 武元 亮頼*; 山口 将志*; 浅野 芳裕*

Journal of Nuclear Science and Technology, 57(4), p.444 - 456, 2020/04

https://doi.org/10.1080/00223131.2019.1691073

兵庫県立大学ニュースバル放射光施設ビームラインBL01において、MeVの単色直線偏光光子ビームをAuへ照射したときの中性子放出スペクトルを、飛行時間法により測定した。これより光核反応によって生成される2成分の中性子スペクトルを測定した。このうちの1つ成分(A)は、4MeVまでのエネルギーであり蒸発に類似したスペクトル形状を示した。もう一方の成分(B)は、4MeV以上のエネルギーでありバンプに類似したスペクトル形状を示した。中性子の放出強度において、成分(A)は角度依存は見られなかったが、成分(B)は偏光と検出器方向を成す角度の関数として、の関係を示すことがわかった。

Photonuclear reactions triggered by lightning discharge

榎戸 輝揚*; 和田 有希*; 古田 禄大*; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; 奥田 和史*; 牧島 一夫*; 佐藤 光輝*; 佐藤 陽祐*; 中野 俊男*; et al.

Nature, 551(7681), p.481 - 484, 2017/11

https://doi.org/10.1038/nature24630

Relativistic electrons accelerated by electric fields of lightnings and thunderclouds emit bremsstrahlung rays, which have been detected at ground observations. The energy of the rays is sufficiently high to potentially invoke atmospheric photonuclear reactions N(, n)N, which would produce neutrons and eventually positrons via decay of generated unstable radioactive isotopes, especially N. However, no clear observational evidence for the reaction has been reported to date. Here we report the first detection of neutron and positron signals from lightning with a ground observation. During a thunderstorm on 6 February 2017 in Japan, an intense -ray flash (1 ms) was detected at our monitoring sites. The subsequent initial burst quickly subsided with an exponential decay constant of 40-60 ms, followed by a prolonged line emission at 0.511MeV, lasting for a minute. The observed decay timescale and spectral cutoff at 10 MeV of the initial emission are well explained with de-excitation rays from the nuclei excited by neutron capture. The centre energy of the prolonged line emission corresponds to the electron-positron annihilation, and hence is the conclusive indication of positrons produced after the lightning. Our detection of neutrons and positrons is unequivocal evidence that natural lightning triggers photonuclear reactions.

Evidence for p-process nucleosynthesis recorded at the solar system abundances

早川 岳人; 岩本 信之; 静間 俊行; 梶野 敏貴*; 梅田 秀之*; 野本 憲一*

European Physical Journal A, 27(S1), p.123 - 128, 2006/03

https://doi.org/10.1140/epja/i2006-08-017-6

ビックバンで、水素からリシウムまでの軽元素が生成された。より重い元素は、銀河系内に存在した、さまざまな恒星の中の核反応で生成され、星間物質に蓄積されていった。その中から、約46億年前に太陽系が誕生した。そのため、太陽組成には過去に行われた銀河系内の元素合成が記録されている。鉄より重い重元素の約99%は、2つの中性子捕獲反応過程で生成されたことが判明している。その一方で、中性子では生成できないp核と呼ばれる原子核が存在しており、過去50年間にわたり天体起源が研究されてきた。これまで提案された仮説は、高エネルギー宇宙線により破砕反応,中性子のX線バーストによる急速な陽子捕獲反応,超新星爆発の光核反応による生成,超新星爆発のニュートリノ反応による生成等である。われわれは、太陽組成から、このp核が、中性子で生成された種となる原子核から、超新星爆発のような膨大な光による光核反応で生成された証拠を発見した。

Photoneutron cross section measurements on W, Re and Os for cosmochronology

静間 俊行; 宇都宮 弘章*; 後神 進史*; Mohr, P.*; 早川 岳人; 牧永 あや乃*; 原 かおる*; 大垣 英明*; Lui, Y.-W.*; Goriely, S.*

Nuclear Physics A, 758, p.561c - 564c, 2005/07

産業技術総合研究所のレーザー逆コンプトン線を用いて、W, Re, Os核に対する光核反応断面積の精密測定を行った。Hauser-Feshbach核統計模型に基づき、逆過程であるW, Re及びOs核の中性子捕獲反応断面積を評価した。s過程分岐点核W, Re及びOsの第一励起状態からの中性子捕獲のs過程に対する寄与について明らかにした。さらに、この結果を、Re-Os宇宙時計に適用し、元素合成時からの年代について議論する。

光核反応を用いる廃棄体中のウラン濃度検認法のモンテカルロコードによる概念検討

桜井 健; 小迫 和明*; 森 貴正

モンテカルロ計算法高度化の現状; 第3回モンテカルロシミュレーション研究会報文集, p.168 - 176, 2004/12

ウラン濃縮施設等からは、ウランを含む廃棄物(以下、「ウラン廃棄物」)が発生する。このうち、ウラン濃度が低い廃棄物については浅地中処分が可能とされている。放射性廃棄物の処分においては廃棄物にかかわる精度の高い放射能評価が必要となることから、ウラン廃棄物の浅地中処分等を進めるためには、検出感度が高くかつ迅速なウラン濃度の検認法の開発が不可欠となる。このため、本研究では光核反応を用いるウラン濃度の非破壊検認法の概念検討とこれに必要となる計算コードの作成を行った。まず、概念検討に用いるために、中性子・光子輸送計算モンテカルロコードMVPを改良し、光核反応とその結果発生する光中性子の輸送を取り扱う機能を付加した。このコード用の光核反応データライブラリーは、IAEA Photonuclear Data Library等を処理して作成した。次に、検認システムの概念検討は、金属のウラン廃棄物を溶融処理して作製される金属インゴットの廃棄物を対象として実施した。その結果、深地/浅地中処分の分別レベルをはるかに下回るクリアランスレベル相当のウラン濃度にも余裕を持つ検出限界が達成可能となる見込みを得た。

-process branching at W revised

Mohr, P.*; 静間 俊行; 植田 裕康*; 後神 進史*; 牧永 あや乃*; 原 かおる*; 早川 岳人; Lui, Y.-W.*; 大垣 英明*; 宇都宮 弘章*

Physical Review C, 69(3), p.032801_1 - 032801_4, 2004/03

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.69.032801

逆反応過程を用いて、s過程の分岐点核である不安定核種Wの中性子捕獲反応断面積を評価した。Wの光核反応断面積の測定は、産業技術総合研究所のレーザー逆コンプトン線を用いて行った。核統計模型から、過程で重要な温度であるkeVにおいて、Wの中性子捕獲反応断面積として、mbを得た。この値は、従来のものよりも小さく、AGB星模型では、過程において生成されるOsの生成量が過大評価されることが明らかになった。

Coherent and photoproduction from deuteron and non-diffractive channels

Titov, A. I.; 藤原 守; Lee, T.-S. H.*

Physical Review C, 66(2), p.022202_1 - 022202_5, 2002/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.66.022202

重水素を標的とするコーヒレント中間子,中間子生成においては、アイソベクトル型の性質を持つ中間子交換過程が少なくなる。この研究では(1)中間子発生における非回折チャンネル,(2)中間子発生における核子共鳴、をスピン観測量を通じて調べる可能性を検討した。

A Study on radiation shielding and safety analysis for synchrotron radiation beamline

浅野 芳裕

JAERI-Research 2001-006, 162 Pages, 2001/03

JAERI-Research-2001-006.pdf:6.05MB

第3世代放射光施設の放射光ビームラインに対する遮蔽設計手法と安全解析手法について開発研究を行った。本研究では、極端に大強度でそのほとんどのエネルギーが数100keV以下の放射光に対する遮蔽安全解析の研究とビームラインに混入してくる非常にエネルギーの高い(数GeV)放射線に対する挙動解析研究より構成される。放射光に関する遮蔽研究では、放射光ビームライン遮蔽計算コード「STAC8」を開発した。このコードは再生効果や放射光の直線偏光による散乱も考慮できる。本コードの妥当性を検証するために、このコードとモンテカルロ計算コードEGS4との比較計算及びビームラインハッチ内線量分布の比較実験を行い、良い一致を得た。また、開発したコード「STAC8」を用いてそれまで意識されなかったグランドシャインを解明するとともに、もっとも有効と思われる対策を提示した。SPring-8で発生するガス制動放射線を正確にシミュレーションするための計算条件を提示し、タングステン酸鉛シンチレーターを用いて、SPring-8のビームラインに混入してくるガス制動放射線を高精度で測定した。その結果、蓄積電子のビーム発散角やビームサイズなどの電子ビーム蓄積状態との関係を得た。ガス制動放射線によって発生する光中性子による線量を、準重陽子発生及び中間子発生領域まで考慮して評価した。また、このガス制動放射線に付随して発生する光中性子をハッチ外の位置でスペクトル計測し、得られた線量とモンテカルロ計算結果と比較検証した。本研究で整備されたガス制動放射線とそれに付随する光中性子の解析手法を用いて、レーザー電子光ビームラインで問題となる高エネルギー光子と付随する光中性子に対する遮蔽解析を実施した。これらの研究結果から、第3世代放射光施設の放射光ビームラインにおける遮蔽設計手法が確立され、すばやく正確にハッチからの漏洩線量が評価できるようになった。