Transcript 講義ノート
実験屋のための実践的核反応論
東大CNS
下浦
享
はじめに
(目標)
「核反応で、何をどうやれば何がどの程度わかるか?」についてのセンス
を磨き、実験提案や実験解析に実践的に生かせるようになろう
(素朴な疑問)
• 核反応モデルの背後にある基本的考え方、予言能力、限界は?
• 計算コード(ECIS, DWUCK, ...)は結局何を計算しているのか?
• 手計算で何がわかり、計算コードの出力から何を読み取るのか?
• その他(受講者からの疑問を歓迎する)
(内容)
初日(2コマ)は、主に青色の部分について、非相対論的な散乱の量子論の解
説を中心にする
(資料)
プレゼンテーションに加えて、実際の計算のための公式、コードの使い方、
advance level の公式などのメモを提供する
核反応測定
古典系
核反応
核反応の測定
• 量子(ミクロ)系の情報を、古
典(マクロ)系における物理量
-エネルギー・運動量-から
得る
• 反応確率を、運動量とエネル
ギーの関数としてみる
量子系と古典系を結ぶ物理量:
相対波動関数の自由空間での漸近形
量子系
“散乱(反応)の量子論”
核構造と核反応
原子核
構造
量子多体系の“波動関数”の性質
• 密度分布、形、配位、相互作用、
相関、集団性、応答…
核構造モデル
• 座標空間・配位空間におけ
るモデル波動関数
核反応論(モデル)
相対波動関数の自由空間での漸近形を反応に関与する
相互作用と核構造から求め、反応で得られる物理量
を得る
運動量空間における波動関数
座標空間と運動量空間
i
p
i ri
3
d pi exp r1, r2 ,, rA
3/ 2
ipi ri
1
3
r1, r2 ,, rA
d
p
exp
p
,
p
,
,
p
i
1
2
A
i 2
1
p1 , p2 ,, pA
i 2
3/ 2
運動量空間 ⇔ 座標空間 : Fourier変換
• その状態が運動量 {pi} を持つ確率振幅
• 座標空間の波動関数を平面波展開したときの係数が運動量
空間の波動関数
• 平面波を基底にとったときの波動関数の表現
• エネルギー固有状態の波動関数を、運動量固有状態で展開
• デルタ関数の Fourier 変換は平面波
座標空間と運動量空間
座標空間における密度⇔運動量空間における形状因子 F(q)
r r1, r2 ,, rA
r ri r1, r2 ,, rA
3
i
d 3q expiq r r1, r2 ,, rA exp iq ri r1, r2 ,, rA
i
d q expiq r F q
F q r1, r2 ,, rA exp iq ri r1 , r2 ,, rA
3
i
i
ri exp iq ri ri
for single slater det.
運動量
ドブロイ波長
ドブロイ波長
ˆ
p i
h
p k
for plane wave: exp ik r
m ; p k
proton
alpha
C
Pb
electron
pion
100
λ (fm)
1000
10
1
0.1
0.1
1
10
100
T (MeV)
1000
10000
運動学
この講義では、非相対論的運動学について解説する
相対論的運動学の summary は、Particle Data Group の
document
http://pdg.lbl.gov/2007/reviews/kinamarpp.pdf
に詳しい
また「Memo relating to relativistic kinematics」に有用と思
われる公式などを記述してある
運動学
自由空間における2体系の非相対論的運動学:並進運動と相対運動
m1 ; p1 mv1
1
m2 ; p2 mv2
2
2
2
PCM
prel
p12
p22
T
TCM Trel
2m1 2m2 2M tot 2
mm
M tot m1 m2 ; μ 1 2
m1 m2
m p m p
PCM p1 p2 ; prel 2 1 1 2
m1 m2
m v m2v2
VCM 1 1
; vrel v1 v2
m1 m2
TCM, PCM : 系全体の並進のエネルギー(核反応には寄与しない)
Trel , Prel : 核反応で本質的なエネルギー(系全体の内部エネルギー)
ガリレイ変換で不変(速度の加法則が成立)
相対論では、[(1+2)系の不変質量]ー[m1+m2]
相対運動のエネルギー Trel
1 2
v1 v2 T0 の分解能について(advanced)
2
速度差の測定分解能が方向によらず同じ(sv)だと仮定すると、を
速度差の測定値から求めたときの相対エネルギーが、[T,T+dT]
となる確率 F(T,T0)dT は、
2
T T0
T T0
1
F T , T0 dT
exp
exp
2
s v2
s v2
2 2s v T0
T
T
F T , T0
exp 2 : T0 0
2 3/ 2
2 s v
s v
dT
2
T T0 2
2
exp
:
T
T
2
s
0
v
2
s
2 2s v2 T0
v
1
この確率密度 F(T,T0) を用いたときの期待値は
2
3
15
T T0 s v2 ; T 2 T02 5s v2T0 s v2
2
4
T T0 2 2s v2T0 15 s v2 2 ; T T 2 2s v2T0 3 s v2
4
2
2
分解能
∝T01/2
c.f. Nucl. Phys. A452 (1986) 123
運動学
自由空間における3体系の非相対論的運動学:Dalitz plot
m1 ; p1 mv1
1
3
m3 ; p3 mv3
2
m2 ; p2 mv2
2
pi2 j
pij2k
p32
PCM
p12
p22
T
2m1 2m2 2m3 2M tot 2i j 2ij k
TCM Ti j Tij k TCM Trel
M tot m1 m2 m3
mi m j
mi m j mk
μi j
; μij k
mi m j
M tot
PCM p1 p2 p3
pi j i j vi j ; pij k ij k vij k
m
v
m
v
j j
vi j vi v j ; vij k i i
vk
mi m j
m2 m3
m3 m1
m1 m2
Trel
T23
T31
T12
M tot
M tot
M tot
運動学―エネルギー運動量保存―
2体反応 A(a,b)B の非相対論的運動学(実験室系)
b
A
a
B
m' ; p' mv '
m ; p mv
反応後
M ;P0
M ' ; P' M 'V '
2
p
1
1 2
2
T
M totVCM
vrel
2m 2
2
p'2 P'2
1
1
2
Q M totVCM ' v'2rel Q
2m' 2M '
2
2
mM
m' M '
M tot m M m'M ' ;
; '
M tot
M tot
p
相対運動の運動量変化
VCM
; vrel v ; v 'rel V 'v '
m M
M
p p' 運動量移行
m' m , M ' M のとき Q Ex , q vrel v 'rel
M tot
反応前
エネルギー移行
運動学―エネルギー運動量保存―
2体反応 A(a,b)B の非相対論的運動学(重心系)
b
A
a
B
m ; pc mvc
M ; Pc pc MVc
反応前
m' ; pc ' mvc '
M ' ; Pc ' pc ' M 'Vc '
反応後
M
1 2 1
Tc
T vrel ' v'2rel Q
m M
2
2
p
VCM
; vrel v ; v 'rel V 'v ' Vc 'vc '
m M
相対運動の運動量変化
m' m , M ' M
のとき
M
pc p'c が運動量移行になる
q vrel v 'rel
M tot
運動学
実験室系と重心系の変換:速度図
反応後の粒子の速度
v’
VCM
V’
v’c
c
V’c
M
1
2
T Q
' v'rel
m M
2
m
v
VCM
m M
M'
v'rel
v'c
m'M '
m'
V 'rel
V 'c
m'M '
2
2v'VCM cos
v'c2 v'2 VCM
v' sin
tanc
v' cos VCM
運動学
運動量移行と運動学上の制限(on-shell)
非弾性散乱の場合(m’=m, M’=M)
M
M
p p'
pc p'c
Ex -Q , q vrel v 'rel
M tot
M tot
Stripping 反応の場合(m’=m-x, M’=M+x)
m'
qm vrel ' v 'rel : m→m’ (a の中の x の運動量)
m
M
qM vrel
' v 'rel : M→M’ (B の中の x の運動量)
M'
反応でやりとりされるエネルギー(Q)と運動量(q)は、
反応チャネルと入射エネルギー、散乱角度を決め
ると一意に決まってしまう。(on-shell)
非弾性散乱の場合(m’=m, M’=M)、運動量移行を0にすること
はできない
Proton Transfer in Momentum Space
12Be(d,n)
@ 50 A MeV
@ 50 A MeV
Ex=0
1
Ex=40
13B*(10MeV)
p
0
d
12Be
Ex=0
1
13B*(10MeV)
0
0
1
a
t
-1
-2
0
qz (fm-1)
qz (fm-1)
13B*
p
Ex=40
12Be
n
-1
-2
12Be(a,t)
2
q^ (fm-1)
q^ (fm-1)
2
d
13B*
a
1
Phase Space (位相空間)
摂動論におけるフェルミの黄金律(Golden rule No. 2)
wif
2
2
f H i f
遷移確率(反応の断面積)は、終状態密度(位相空間の大
きさ)に比例する
運動エネルギー T=p2/(2m) の非相対論的自由粒子の状態
密度は、
d 3 p p2dpd 2m3 T dTd
運動エネルギーの平方根に比例
Phase Space (位相空間)
崩壊(M→m1+m2+…)の場合(相対論的)
2
2
f H i df P; p1, p2 ,
d 3 pi
4
df P; p1, p2 , P pi
3
i
i 2 2Ei
T12T123T1234 T12( A1) A 1/ 2 non - rel. limit
dwif
反応(M1+M2→m1+m2+…)の場合
運動学的には、 M1+M2
→M→m1+m2+… と同じ
ds if f H i df P; p1, p2 ,
M
m1+m2+…
2
M1+M2
核反応の量子力学的記述
重心系で、全エネルギー Etot の2体衝突 a+A を考える
一般に、衝突後は、以下のような様々な反応が起こり、
aとAだけでなく, bとB, cとC, d1とd2とD, …が、漸近領域
に放出される。
これら核子群の組み合わせそれぞれをチャンネルとよぶ。
なお、e+E が束縛状態である場合も、閉じたチャンネル
(closed channel)とよぶこともある。
a Aa A
b B
cC
d1 d2 D
2体の重心系 (a+A=aチャンネル) のハミルトニアン、固有関数
H ha a hA A ha ra , a , A Ha Va
H E ; ha ra , a , A Ta ra Va ra , a , A
2 2
ha ra , a , A Ta ra
a [ra ]
2a
ha a a a aa a ; hA A A A AA A
a a a A A ka , ra
: an eigen function of Htot at [ra ]
A
a
1
k,r
exp ik r
3/ 2
2
a ; pa ka
: IncomingPlane wave
2ka2
Etot a A
2a
(a+A) → b+B 反応: b+B チャンネルのハミルトニアン
H ha a hA A ha ra , a , A
hb b hB B h r , b , B H V
h r , b , B T r V r , b , B
B
h r , , T r
2
2
b
B
2
[r ]
hb b b b bb b ; hB B B B BB B
k , r b b B B and
1 expik r
sc
f a ka , k b b B B
3/ 2
r
2
: eigen functionsat [r ]
2k2
2ka2
Etot a A
b B
2a
2
b
; p k
a+A → (b+B) 反応の境界条件
この反応を含む、a+Aで入射する核反応を記述する波動関数
は、漸近形が以下の条件を満たさなければならない
• すべての開いたチャンネルには、原点から外向きに広がる
波がある
• 入射チャンネルだけに入射平面波がある
• 入射平面波以外に内向きの波はない
• 閉じたチャンネルの振幅は0である
これらの条件を満たす波動関数
a a ka , ra aA
expik r
1
f a ka , k 2body
3/ 2
r
2
f a ka , k : ScatteringAmplitude
bB
()
Lippmann-Schwinger Equation
境界条件を含んだ積分方程式
Ha( ) E Ea( ) E
H ha hA Ta Va Ha Va
1
a( ) E a E
Va a( ) E
E Ha i
i
a E
E H i
1
( )
a E a E
Va a( ) E
E Ha i
S a ( ) E a( ) E
内向き球面波をもつ解
散乱行列(S行列):
平面波 が見出される確率振幅
T 行列、微分断面積、散乱振幅
( )
T a ka , k k , r , V r , a ka , ra , a ,
: Post Form
( )
k , r , , Va ra , a a ka , ra , a
: Prior Form
ds a v
f a ka , k
d va
f a
2
2
2
ka , k
T a ka , k
2
T行列が計算できれば、微分断面積が計算できる
平面波ボルン近似 (PWBA)
( )
a
( )
ka , ra , a , a ka , ra , a ... 外向き球面波
k , r , , k , r , ... 内向き球面波
T a ka , k k , r , V r , a ka , ra , a
: Post Form
k , r , Va ra , a a ka , ra , a
: Prior Form
expiq r 4 il jl qrYlm r Ylm* q
lm
球ベッセル関数
1
jn x
1.2
j_0
j_1
j_2
j_3
j_4
j_5
j_6
1
0.8
jn x2
n=0
n=1
n=2
n=3
n=4
n=5
0.1
0.6
0.4
0.2
0.01
0
0
1
2
3
4
5
-0.2
-0.4
0.001
0
1
x 2
3
4
弾性散乱の平面波ボルン近似 (PWBA)
Taa k , k ' a k ' , r V r a k , r
1
exp ik 'r V r exp ik r
3
2
1
3
d r V r exp i k k ' r
3
2
1
2 r 2dr j0 qr V r
2
2
V0 R3
j
qR
a
2
1
exp qa
2 j0 qR
2
2
R
qR
t R2
V0
V0
V r dt
exp
2
2
2 2a
r
4a 1 expr R / a
c.f. Memo for Woods-Saxon form factor
弾性散乱の平面波ボルン近似 (例)
V0
V r
1 expr R / a
10000
0.7
1000
e
k
2
2ikr
1 V (r )dr
0
V0 10 MeV
R 5 fm
a 0.65 fm
64
4 amu
68
Tin 240 MeV
100000
Criterion (c.f. Schiff p.326)
V0 R
2 k
V0 R
vrel
V0 20 MeV
R 5 fm
a 0.65 fm
64
4 amu
68
Tin 240 MeV
1000000
100000
10000
1.4
1000
100
100
10
Square Well
Full (W-S)
W-S
Square-Well
Full (W-S)
W-S
10
1
1
0
5
10
15
20
0
5
10
15
20
非弾性散乱の平面波ボルン近似 (PWBA)
l
Ta 'a
k , k ' a ' k ' , r Vl r a k , r
Tal 'a2
1
*
3
d r VT r Yl 0 rˆexp i k k ' r
3
2
1
V0 l R3
2
[a 0]
q
Y
qR
j
2 r dr jl qr VT r Yl 0 q
l0
l
2
2
2
l により、山谷の位置
V0 2 R3
2
Yl 0 q exp qa
k,k'
が特徴づけられる
2
2
4
2
a
a
2
j2 qR 4 qR j1 qR 4 qR j0 qR
R
R
r l 1 dV r
: Tassie Form
VT r l l 2
dr
R
t R2
V0
V0
exp
V r dt
2
2
a
4
a
2
2
r
1 expr R / a
非弾性散乱(L=2)の平面波ボルン近似 (例)
dV r
Vtr r r
dR
100
0.7
V0 10 MeV
R 5 fm
a 0.65 fm
64
4 amu
68
Tin 240 MeV
1000
1.4
10
100
1
10
0.1
V0 20 MeV
R 5 fm
a 0.65 fm
64
4 amu
68
Tin 240 MeV
1
Square Well
Full (W-S)
W-S
Square Well
Full (W-S)
W-S
0.01
0.1
0
5
10
15
20
0
5
10
15
20
ストリッピング反応の平面波ボルン近似 (PWBA)
[a ]
[ ]
a Ab B
a (b x)
B ( A x)
b
a
x
r
rxb r
a
rxA
H Tb Tx TA Vxb VxA VbA
Txb Vxb Ta VxA VbA ha ha
TxA VxA T Vxb VbA hB h
B
P ost
TPW
c' Vxb VbA c
P rior
PW
T
c' VxA VbA c
以下、第1項のみを考慮する
A
A
b
k xb ka k ; k xA ka k
a
B
a
2 2
2 2
a
B
a ;
B
2 xb
2 xA Binding energies of a and B
b
x
r
rxb r
a
rxA
A
1 2 2
2
c' Vxb c
k
B
xb
a
3
2 2xb
ikxbrxb 3
ikxArxA
3
d rxb a rxb e d rxA B * rxA e
Same value but
1 2 2
2
c' VxA c
kxA B different expressions
3
2 2xA
i
k
r
i
k
3
3
xb xb
xArxA
d rxb a rxb e d rxA B * rxA e
Fourier Transforms of wave functions
of nucleon (x) in a and B
ストリッピング反応
• 微分断面積は、2つの波動関数のFourier成分の積で書ける
• Fourier成分の運動量は、入射エネルギー、Q値、および散乱角度が
決まると一意的に決まる。
• エネルギーが数10MeV以上になると、これらの運動量は、大きく
なってしまう(1fm-1 程度かそれ以上)。→運動量ミスマッチ
• 入射粒子 a=b+x が (0s)n の場合、x の運動量分布は、0 を最大に、ほ
ぼ単調に減少する。
• 残留核 B=A+x の波動関数は、主量子数により node の数が決まるが、
有限の運動量の領域では、l によらず、運動量が大きくなるにつれ、
ほぼ単調に減少する。角度分布は l によらない。
• 大運動量成分は、短距離相関と関連し、相対距離だけの関数とは限
らない。
Proton Transfer in Momentum Space
12Be(d,n)
@ 50 A MeV
@ 50 A MeV
Ex=0
1
Ex=40
13B*(10MeV)
p
0
d
12Be
Ex=0
1
13B*(10MeV)
0
0
1
a
t
-1
-2
0
qz (fm-1)
qz (fm-1)
13B*
p
Ex=40
12Be
n
-1
-2
12Be(a,t)
2
q^ (fm-1)
q^ (fm-1)
2
d
13B*
a
1
Transition Density と遷移行列
1体演算子 F f ri による2つの状態の遷移行列は
i
M ab b r1, r2 ,, rA F a r1, r2 ,, rA
b r1, r2 ,, rA f ri a r1, r2 ,, rA
i
3
d r f r b r ri a
3
i
3
3
d r f r d rj r ri b a
3
i
j
d r f r tr r
3
3
tr r d rj r ri b a
3
i
j
Transition Density と弾性散乱・非弾性散乱
-Folding Model -
弾性散乱は: b a ; f r 1; tr r 0 r
U(r) : Optical Potential
Alpha particle at 140-400 MeV: U ~ 130 – 60 MeV, W ~ 25 – 40 MeV
Proton at 50-200 MeV : U ~ 50 – a few MeV, W ~ 10 – 20 MeV (see JLM)
Transition Density と弾性散乱・非弾性散乱
-Folding Model -
非弾性散乱では: Microscopic or Collective Transition Density
Transition Potential
Transition Density
Collective model
Compression mode
Tassie model
c.f. JLM, PRC10, 1391 (1974)
Density Dependence in Folding Model
•
•
•
•
核内核子は、縮退したフェルミ量子系
フェルミガスで近似すると kF まで詰まっている。
通常密度の核物質では kF ~ 1.36 fm-1 ∝(密度)1/3
フェルミ球内の状態は占有されているので、その領域への散乱は
おこらない(Blocking)
• 占有領域の大きさによって、有効相互作用が異なる
•エネルギーが高いほど
散乱不可
•密度が低いほど(kF が小さいほど)
Blocking の効果は小さい
• 中心領域の核子に対する相互作
用は、密度の薄い表面の核子に
対する相互作用より小さい
核内核子
入射核子
kF~1.36 fm
散乱可能
運動量空間
Potential Depth for Nucleon based on Density Dependence
c.f. JLM, PRC10, 1391 (1974)
Inelastic excitation (Analysis)
WF’s of gnd. and exc. states (0(r), (r))
Transition Matrix
Element
Microscopic
Macroscopic
BM; Tassie
a, ,
transition density (tr(r))
Folding with effective interaction veff
Macroscopic
Distorting pot. (V0(r))
O.M. analysis
Elastic Scat. Data
Global Systematics
BM
,
Transition pot. (Vtr(r))
DWBA
Experimental Data
Integrated C.S., Ang. Distr. Ang. Cor.
J , =R , …
sum rule
Gnd. State density (0(r))
Spectroscopic Factor
C S 2I 2 1 T2T2 z I 2 a j T1T1z I1
2
1
2
C T1 T1z 1/ 2 mt T2 T2 z
• Spectroscopic Factor は、配位空間における overlap で定義されて
いる。
• 核子移行反応では、波動関数の運動量成分が、ある限定された領域
に存在する割合が求められる。
• 大きな運動量をもつ領域の場合、短距離相関のため、1核子+芯を
仮定した、local な波動関数がよいとは限らない。
• ノックアウト反応の場合、運動量移行を制御できるので、基底状態
における1粒子状態の占有率を求められる可能性がある。
Direct reactions
Heavy Nuclei: Strong EM Field
Coulomb Excitation, Coulomb Dissociation
1
OE j rjY rˆj
(Lifetime measurement )
j 2
H, D, 4He [Liquid targets – large luminosity]
E1, E2, (M1) / Isovector
O O(L, S, J , T )
O rkL2YL rˆk
Inelastic Scattering
Isovector (H) / Isoscaler(H, D, 4He) [T=1, 0]
Spin-Flip (H, D) / Spin-Non-Flip (H, D, 4He) [S=1, 0]
Charge Exchange
Fermi type (H) / Gamow-Teller type (H, D) IAS/GTS
k
Isoscaler Monopole
Isoscaler Dipole
Nucleon Transfer (a,t), (a,3He)
Single particle Excited states
Knockout
O a (l f , s f , j f )
Other (Be, C, …) [strong absorption]
Knockout / Fragmentation
Spectroscopic factors in Ground state O a(li , si , ji )
Reactions at lower energies
(d,p) reaction
Transfer/DIC/Fusion : high spin states
Transition Strengths
M if E f J f f Tf ; f Olsj ; Ei J i iTi ;i
CrossSection M if
2
; Lifetime 1/ M if
2
Ei Ji iTi ;i and/or E f J f f Tf ; f : to be studied
Olsj ; : Propetyof Reaction /DecayProcesses
Selectivity
Determine Quantum numbers and C.S. (lifetime)
Configuration / Collectivities
Single particle / Correlation energies
Observables – reaction/decay
meas.
Yields (Cross Sections) / Lifetime /
Width
Properties of populated states
(Selectivity)
Angular Distribution / Momentum
Transfer
Assignment of L J
Reliable Reaction Models
Eikonal Model [Knockout]
Virtual Photon / DWBA / Coupled Channels
[Coulex, Inelastic, Transfer]
Optical Potential / Transition Density
Folding Model with Density Dependent Effective Interaction
今後の予定
• Distortion
• 核子あたり 100 MeV 以上の陽子衝突を除いて、平面波ボルン近似の
criterion は満たさない
• 別の近似方法:Eikonal 近似
• 相互作用領域で、どれくらい波が歪んでいるのか?
• 歪んだ波を用いた近似は? (DWBA)
• 非弾性散乱と B(O)
• Isovector と Isoscalar
• Bernstein’s Prescription
• 核応答
• 集団性、相関
• 非束縛状態 (共鳴、連続状態)
• 閉じたチャネルとの結合と共鳴
• 共鳴状態の“波動関数”
• 3体系の漸近形
• 非束縛状態への反応
• その他 (核融合、分子的共鳴などなど[手に余りそうですが…])