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 ISOLDE 施設の概略図。 | |
| ISOLDE 実験セットアップ | |
|---|---|
| 崩壊 | 共線レーザー分光法 |
| クリス | 共線共鳴イオン化分光法 |
| EC-SLI | 短寿命同位体による放出チャネリング |
| 感染性疾患 | イゾルデ崩壊ステーション実験 |
| 国際宇宙ステーション | ISOLDE ソレノイド分光計 |
| アイソトラップ | アイソトラップ |
| ルクレシア | ルクレシア |
| ミニボール | ミニボール |
| 奇跡 | 共線分光法のためのマルチイオン反射装置 |
| SEC | 散乱箱実験 |
| ヴィト | 多目的イオン分極技術オンライン |
| ウィザード | 放射性イオンビームによる弱い相互作用の研究 |
| その他の施設 | |
| メディシス | ISOLDE から収集された医療用同位元素 |
| 508 | 固体物理学研究所 |
ISOLDE (Isotope Separator On Line DEvice) 放射性イオンビーム施設は、フランスとスイスの国境にあるCERN加速器施設の中心に位置するオンライン同位体分離施設です。 [1] 1964 年に設立された ISOLDE 施設は、1967 年に放射性イオンビーム (RIB) をユーザーに提供し始めました。当初はシンクロサイクロトロン( SC )加速器(CERN 初の粒子加速器) に位置していたこの施設は、数回のアップグレードが行われ、最も有名なのは 1992 年に施設全体が CERN の陽子シンクロトンブースタ(PSB )に接続されるように移動されたことです。ISOLDE は現在、CERN で最も長く稼働している施設であり、施設とその実験の継続的な開発により、RIB に関する科学の最前線に ISOLDE が位置し続けています。 ISOLDEは、原子核物理学、原子核物理学、分子物理学、固体物理学だけでなく、生物物理学や天体物理学、さらには標準モデルを超えた物理学を探す高精度の実験など、幅広い物理学コミュニティに恩恵をもたらしています。この施設は、CERNと16か国（主にヨーロッパ）で構成されるISOLDEコラボレーションによって運営されています。[2] 2019年現在、世界中（すべての大陸を含む）の約1,000人の実験者がISOLDEに来て、通常年間50の異なる実験を行っています。[3] [4]
ISOLDE では、CERN の PSB 加速器から供給される高エネルギー (1.4 GeV) の陽子ビームを20 cm の厚さのターゲットに照射することで放射性核種が生成されます。実験者が要求する最終同位体に応じて、いくつかのターゲット材料が使用されます。陽子ビームとターゲット材料の相互作用により、破砕、断片化、核分裂反応によって放射性種が生成されます。その後、ターゲットを約 2,000 °C に加熱することで、熱拡散プロセスによってターゲット材料の大部分から放射性種が抽出されます。[5]
生成された同位体のカクテルは、最終的にISOLDEの2つの磁気双極子質量分離器の1つを使用してフィルタリングされ、目的の同重体が生成されます。抽出プロセスに必要な時間は、目的の同位体やターゲット物質の性質によって決まり、この方法で生成できる同位体の半減期に下限が設定されます。通常は数ミリ秒のオーダーです。追加の分離として、共鳴イオン化レーザー源（ RILIS）がレーザーを使用して特定の元素をイオン化し、放射性同位体を原子番号で分離します。[6]抽出された同位体は、いくつかの低エネルギー核物理学実験の1つまたは同位体採取エリアに送られます。 REX後段加速器からHIE-ISOLDE（高強度・エネルギーアップグレード）超伝導線形加速器への大規模なアップグレードが2018年に完了し、放射性同位元素をこれまでよりも高いエネルギーまで再加速することが可能となった。[7]
背景
ほとんどの原子核には陽子と中性子が含まれています。陽子の数によって、その原子核が属する化学元素が決まります。同じ元素の異なる同位体は、原子核内の中性子の数が異なりますが、含まれる陽子の数は同じです。たとえば、炭素の同位体には炭素 12、炭素 13、炭素 14があり、それぞれ 6、7、8 個の中性子を含みますが、すべて 6 個の陽子を含みます。元素の各同位体は、異なる核エネルギー状態を持ち、安定性が異なる場合があります。
核種は同位体よりも一般的な用語であり、特定の数の陽子と中性子を持つ原子を指します。安定核種は放射性ではなく、自然に放射性崩壊しないため、自然界でより一般的に見つかります。[8]一方、不安定（放射性）核種は寿命が短く、1つまたは複数の段階で自然に崩壊してより安定した核種になるため、最近の発生源がない限り、自然界には見つかりません。たとえば、炭素14は不安定ですが、自然界に存在します。科学者は加速器と原子炉を使用して放射性核種を生成します。一般的な傾向として、および他の要因として、核種の中性子と陽子の比が安定性を決定します。安定核種のこの比の値は、一般に、陽子と中性子の数が多い大きな核では増加します。[9]多くの不安定核種は中性子陽子比が安定領域を超えています。放射性崩壊により核種の量が半分になるまでの時間、つまり半減期は同位体の安定性の尺度です。[10]
核種は、陽子数と中性子数をプロットした表（セグレ図または核種表）で視覚的に表すことができます。 [11]
歴史
1950年、デンマークの物理学者オットー・コフォード・ハンセンとカール・オーヴェ・ニールセンが、従来の方法よりも半減期の短い同位体を製造できる新しい放射性同位体製造技術を発見した。[12]彼らが実施したコペンハーゲン実験には、現代のオンライン実験で使用されているものと同じ要素の簡略版が含まれていた。[13] 10年後、ウィーンで開催された放射性同位体の分離に関するシンポジウムで、「オンライン」同位体分離器の計画が発表された。これらの計画を使用して、CERNの原子核化学グループ（NCG）は、CERNのシンクロサイクロトロンから供給される600MeVの陽子ビームで衝撃を受けるターゲットとイオン源に結合されたオンライン質量分離器のプロトタイプを構築した。テストは成功し、SCがオンラインでの希少同位体製造に理想的な装置であることが示された。[14]電磁同位体分離装置の計画は1963年から1964年にかけてヨーロッパの原子物理学者によって開発され、1964年後半にその提案がCERNの所長に受け入れられ、ISOLDEプロジェクトが開始されました。[15]
このプロジェクトの「財務委員会」は当初5名で構成されていたが、その後12名に拡大され、各国（CERNを含む）から2名ずつとなった。「財務委員会」という用語には他の意味合いもあったため、「もっと良い名前が見つかるまでは」プロジェクトをISOLDE、委員会をISOLDE委員会と呼ぶことにした。1965年、CERNの地下ホールが掘削されていた頃、オーフスではISOLDEの同位体分離装置が建設されていた。[13] 1966年5月、SCはいくつかの大きな変更のために閉鎖された。これらの変更の1つは、将来のISOLDE専用地下ホールに陽子ビームを送るための新しいトンネルの建設だった。[16] 1966年にアルヴェ・ケルベルグがISOLDEの初代コーディネーターに任命され、分離装置の建設は順調に進み、地下ホールは1967年に完成した。1967年10月16日、最初の陽子ビームがターゲットと相互作用し、最初の実験でこの技術が期待通りに機能することが証明された。[17] 1969年には、さまざまな短寿命同位体の研究に関する最初の論文が発表された。[18] [17]
ISOLDE実験プログラムが始まって間もなく、SCの大幅な改良が計画された。1972年、SCは無線周波数システムを変更してビーム強度をアップグレードするために閉鎖された。SC改良プログラム（SCIP）は、一次陽子ビーム強度を約100倍に増加させた。この高強度ISOLDE施設を扱うには、改良されたビームをISOLDEにうまく抽出するための改造も必要だった。必要な改造の後、ISOLDE 2としても知られる新しいISOLDE施設が1974年に立ち上げられた。[19]新しいターゲット設計とSCからのビーム強度の増加が相まって、生成される核種の数が大幅に増加した。しかし、しばらくするとSCからの外部ビーム電流が制限要因になり始めた。共同研究チームは、より高い電流値に到達できる加速器に施設を移す可能性について議論したが、施設用に超近代的な設計の別のセパレーターを建設することを決定した。新しい高解像度分離装置ISOLDE 3は、80年代末までに本格的に稼働しました。 [ 20] [21] 1990年には、放射性ビームを選択的かつ効率的に生成するために、新しいイオン源RILISが施設に設置されました。[22]
SCは30年以上の稼働を経て1990年に廃止された。その結果、共同研究チームはISOLDE施設を陽子シンクロトロンに移転し、ターゲットを1GeVブースターからの外部ビーム内に配置することを決定した。新しいISOLDE実験ホールの建設はSCの廃止の約3か月前に始まった。[21]移転に伴い、いくつかのアップグレードも行われた。最も注目すべきは、2つの新しい磁気双極子質量分離器の設置である。1つは1つの曲げ磁石を備えた汎用分離器で、もう1つは2つの曲げ磁石を備えた高解像度分離器である。[23]後者はISOLDE 3の改造版である。[24] [25] ISOLDE PSBとして知られる新しい施設での最初の実験は1992年6月26日に行われた。 [26] 1995年5月には、人間の介入なしにターゲットとイオン源ユニットを扱うために2台の産業用ロボットが施設に設置された。[27]
施設の科学活動を多様化するため、REX-ISOLDE（ISOLDEでの放射線ビームEX実験）と呼ばれる後段加速器システムが1995年に承認され、2001年に施設で稼働を開始しました。[28] [29] [30]この新しい追加により、高エネルギーRIBを必要とする核反応実験がISOLDEで実行できるようになりました。[29]さらに、REXTRAPはREX-ISOLDEのペニングトラップとして機能し、イオンの束を電子ビーム源（EBIS）であるREXEBISに転送します。EBISは生成された同位体を捕捉し、さらにイオン化します。[31] [32 ]
施設の建物は、より多くの実験を設置できるように2005年に拡張されました。実験用のビーム品質を高めるイオン冷却器およびバンチャーであるISCOOLが2007年に施設に設置されました。[33] 2006年に、国際諮問委員会は、超伝導1/4波長共振器に基づく線形ポスト加速器設計でISOLDEホールをアップグレードすると、ビーム品質を低下させることなく、エネルギーを最大限利用できると決定しました。[34] [35] HIE-ISOLDEプロジェクトは2009年12月に承認され、エネルギー範囲を核子あたり3MeVから5MeV、そして最後に核子あたり10MeVにアップグレードします。[36] [37]この設計では、供給された陽子ビームを最大限に活用するために強度のアップグレードも組み込まれました。 [35]
2013年後半、CERN MEDICIS（ISOLDEから収集された医療用同位元素）と呼ばれる新しい医療研究施設の建設が開始されました。ISOLDEで使用される入射陽子ビームのうち、実際にターゲットで停止して目的を達成するのはわずか10％で、残りの90％は使用されません。[38] MEDICIS施設は、すでに最初のターゲットを通過した残りの陽子ビームを処理するように設計されています。2番目のターゲットは、病院や研究施設に配送され、注射できるようにするための特定の放射性同位元素を生成します。[39]
2013年の長期シャットダウン1の間に、[40] ISOLDEの3つの建物が取り壊されました。それらは、新しい制御室、データ保管室、3つのレーザー実験室、生物学および材料実験室、訪問者用の部屋を備えた新しい単一の建物として再び建てられました。MEDICISプロジェクトのための別の建物の拡張と、将来のHIE-ISOLDEプロジェクトで使用される電気、冷却、換気システムを備えた他のいくつかの建物も建設されました。さらに、放射性ターゲットの取り扱いのために設置されたロボットは、より近代的なロボットに置き換えられました。[41] 2015年には、HIE-ISOLDEのアップグレードにより、ISOLDE施設で初めて放射性同位体ビームを核子あたり4.3 MeVのエネルギーレベルまで加速することができました。[42] 2017年後半、CERN-MEDICIS施設は最初の放射性同位元素を生産し、2020年末までに外部の9つの病院と研究施設に41バッチの放射性同位元素を提供しました。[43] [44]施設のHIE-ISOLDEアップグレードの第2フェーズは2018年に完了し、ISOLDEは核子あたり最大10MeVまで放射性ビームを加速できるようになりました。[45]
施設とコンセプト
ISOLDE 施設には、クラス A 実験室、HIE-ISOLDE および MEDICIS プロジェクト用の建物、および 508 号棟にある制御室があります。ISOLDE 以前は、放射性核種は製造場所から検査のために実験室に輸送されていました。ISOLDE では、製造から測定までのすべてのプロセスが接続されており、放射性物質を別途輸送する必要はありません。このため、ISOLDE はオンライン施設と呼ばれています。
ISOLDE施設では、反応のための主な陽子ビームはPSBから来ます。入射陽子ビームのエネルギーは1.4 GeVで、平均強度は最大2 μAまで変化します。ビームは施設に入り、2つの質量分離器、汎用分離器（GPS）と高解像度分離器（HRS）のいずれかに向けられます。分離器は独立して動作するターゲットイオン源システムを備えており、60 keVのRIBを供給します。[46]
ISOLDE で使用されるターゲットは、放射性核の迅速な生成と抽出を可能にします。ターゲットは高温 (700 °C ～ 1400 °C) に保たれた溶融金属で構成されている場合があり、その結果、同位体の放出時間が長くなります。 [47]ターゲットを通常 2000 °C 以上の高温に加熱すると、放出時間が短くなります。[46]目的の同位体よりも重いターゲットを使用すると、破砕または断片化によって生成されます。[48]
ISOLDE のターゲットと組み合わせて使用されるイオン源は、（できれば） 1 つの化学元素のイオンビームを生成します。使用されるイオン源には、表面イオン源、プラズマイオン源、レーザーイオン源の 3 種類があります。[46]表面イオン源は、原子をイオン化できるように 2400 °C まで加熱された高仕事関数の金属管で構成されています。[48]原子を表面イオン化できない場合は、プラズマイオン源が使用されます。プラズマはイオン化されたガス混合物によって生成され、追加の磁場を使用して最適化されます。[46] ISOLDE で使用されるレーザーイオン源は RILIS です。[49]
GPS は、曲げ半径 1.5 m、曲げ角度 70° の二重焦点磁石で作られています。[50] GPS の解像度は約 800 です。[51] GPS はビームを電子スイッチヤードに送り、3 つの質量分離ビームを同時に抽出できるようにします。2 番目のセパレーターである HRS は、曲げ半径 1 m、曲げ角度 90° と 60° の 2 つの双極子磁石と、精巧なイオン光学システムで構成されています。HRS の全体的な解像度は 7000 と測定されており、より高い質量分解能値を必要とする実験に使用できます。GPS スイッチヤードと HRS は、ISOLDE 施設にあるさまざまな実験セットアップにビームを提供するために使用される共通の中央ビームラインに接続されています。[52]
イスクール
IS OLDE COOL er (ISCOOL) は HRS の下流に位置し、2 つの質量分離ビームを結合する合流スイッチヤードまで伸びています。ISCOOL は汎用の無線周波数四重極冷却器およびバンチャー (RFQCB) であり、冷却(ビーム品質の向上) と HRS からの RIB の集束を目的としています。入射イオンは中性バッファーガスと衝突してエネルギーを失い、その後放射状に閉じ込められます。その後、ビームは ISCOOL から抽出されます。[53] [54]
リリス
磁気質量分離器は質量数で同重体を分離できるが、同じ質量の同位体を分類することはできない。実験でより高い化学的純度が求められる場合、ビームを陽子数でさらに分離する必要がある。RILIS は、特定の元素の連続的な電子遷移エネルギーに正確に一致するように正確に調整されたレーザー波長を含む段階的な共鳴光イオン化を使用してこの分離を実現する。[55] [56]イオン化は目的の元素でのみ発生し、イオン源内の他の元素は変化しない。このレーザーイオン化のプロセスは、原子蒸気を照射するために必要な空間的閉じ込めを提供するために、高温の金属キャビティ内で行われる。原子がキャビティから出る前にイオン化するには、高周波レーザーシステムが必要である。[57] [58]全体として、ISOLDE 施設は、周期表の 75 元素から 1300 の同位体を提供する。[52]
CERN-メディシス
CERN-MEDICISプロジェクトは、医療用途の放射性同位元素を供給するために実施されている。PSBからの陽子ビームは、施設内の標準ターゲットに当たった後も強度の90％を維持する。CERN-MEDICIS施設は、HRSターゲットの後ろに配置されたターゲットに残りの陽子を使用し、医療目的の放射性同位元素を生成する。照射されたターゲットは、自動コンベアを使用してMEDICISビルに運ばれ、目的の同位元素を分離して収集する。[59]
レックス・イゾルデ
後段加速器 REX-ISOLDE は、放射性同位元素を加速して核子当たり 3 MeV から 10 MeV にエネルギーを高めるために使用されるさまざまなデバイスの組み合わせです。HIE-ISOLDE のアップグレードにより、核子当たり 3 MeV から 10 MeV に増加しました。入射する RIB はペニング トラップ REXTRAP の最初の潜在的な閾値を克服するのに十分なエネルギーを持っていますが、トラップ内ではイオンはバッファー ガス原子との衝突によりエネルギーを失います。これによりイオンは冷却され、その動きは無線周波数 (RF) 励起とバッファー ガスの組み合わせによって減衰されます。イオン バンチは REXTRAP から抽出され、REXEBIS に注入されます。[60] [61] [54]
REXEBISは強力な磁場を使用して電子銃からの電子を集束させ、高電荷イオンを生成します。イオンは半径方向と縦方向に閉じ込められ、その後、電子衝撃によって段階的にイオン化されます。[60] [62] EBISから抽出された後のイオンの強度が小さいため、後続のイオンを分離するには質量分離器が必要です。[63]
REX-ISOLDEの次の段階は常伝導（室温）線形加速器で構成され、イオンはRFQによって加速されます。インターデジタルH型（IH）構造は共振器を使用してビームエネルギーを最大値まで増幅します。[64] [60]
REX-ISOLDEはもともと軽い同位元素を加速することを目的としていましたが、この目標を達成し、6Heから224Raまでのより広い質量範囲の後加速ビームを提供しました。後加速器は稼働開始以来、100以上の同位元素と30以上の元素の加速ビームを供給してきました。[65]
HIE-ISOLDE アップグレード
生産ビームの高品質、高強度、高エネルギー化に対する高まるニーズを満たすことは、ISOLDE のような施設にとって非常に重要です。これらのニーズを満たすための最新の対応として、HIE-ISOLDE アップグレード プロジェクトが現在進行中です。段階的に計画されているため、アップグレード プロジェクトは、施設で継続中の実験への影響を最小限に抑えて実施されています。プロジェクトには、REX-ISOLDE のエネルギーを最大 10 MeV まで増加すること、共振器と冷却器のアップグレード、PSB からの入力ビームの強化、ターゲット、イオン源、質量分離器の改善が含まれています。2018 年に 4 つの高ベータクライオモジュールの設置を含む HIE-ISOLDE のフェーズ 2 アップグレードが完了した後、次の最終フェーズでは、IH 構造 (IHS) の後の REX 構造を 2 つの低ベータ クライオモジュールに置き換えます。これにより、ビーム品質が向上し、核子あたり 0.45 ～ 10 MeV の間で連続的に可変のエネルギーが可能になります。[66]最先端のプロジェクトであるHIE-ISOLDEは、ISOLDE施設の研究機会を次のレベルに拡大することが期待されています。完成すると、アップグレードされた施設では、原子核物理学や原子核天体物理学などの分野で高度な実験を実施できるようになります。
実験のセットアップ
ISOLDE には、一時的な実験装置と固定された実験装置の両方があります。ISOLDE 施設の一時的な装置は短期間で使用され、通常は原子核の特定の崩壊モードの検出に重点が置かれます。固定された実験装置は施設内に常設されます。これには次のものが含まれます。
崩壊
CO線形分光（ COLLAPS ）実験は1970年代後半からISOLDEで稼働しており、この施設で最も古いアクティブな実験です。[67] [68] COLLAPSは、スピン、電磁モーメント、電荷半径の測定を含む、非常に不安定な（エキゾチックな）短寿命核の基底状態と異性体状態の特性を研究します。[ 69 ]この実験では、必要な原子遷移にアクセスするためにレーザーを使用した共線分光法の技術を使用します。[68]
クリス
共線共鳴イオン化分光法（CRIS）実験では、共鳴イオン化技術と高速共線レーザー分光法を組み合わせて、高解像度かつ高効率な結果を生み出します。この実験では、エキゾチック核のグループ状態特性を研究し、崩壊研究に使用される異性体ビームを生成します。[70]
EC-SLI
短寿命同位体を用いたEミッションチャネリング（ EC - SLI ）実験では、放出チャネリング法を使用して、結晶やエピタキシャル薄膜内のドーパントや不純物の格子位置を調べます。これは、結晶に短寿命同位体プローブを導入し、影響を受ける電子の強度を測定して、放出された崩壊粒子の影響を受けたかどうかを判断します。[71] [72]
感染性疾患
I SOLDE崩壊ステーション（IDS ）実験は、高速タイミングや飛行時間（ToF）などの分光技術を使用して、さまざまな実験システムをステーションに接続できるセットアップです。 [ 73] [74] 2014年から運用されているこのステーションは、さまざまな用途で幅広い放射性同位体の崩壊特性を測定するために使用されています。[75] [76] IDSの結果は、赤色巨星で見られる特定の崩壊の確率を測定したため、天体物理学に役立っています。[77] [78]
国際宇宙ステーション
I SOLDE SO olenoidal S Spectrometer (ISS)実験では、MRI外の磁石を使用してRIBを軽いターゲットに向けます。この反応によって生成される条件は天体物理学的プロセスに存在するものを再現し、原子核の特性を測定することで、エキゾチック核における核子間相互作用の理解も深まります。[79] [80]この実験は2021年に開始され、長期シャットダウン2中に建設が完了しました。[80]
アイソトラップ
ISOLTRAP実験は、ToF検出技術を使用して質量を測定する高精度質量分析計です。 [81] ISOLTRAPは運用開始以来、数百の短寿命放射性核の質量を測定し、二重魔法同位体の存在を確認しました。[82] [83] 2011年にセットアップがアップグレードされ、多重反射飛行時間型質量分析計（MR-ToF）が追加され、よりエキゾチックな同位体の検出が可能になりました。[84]
ルクレシア
LUCRECIA実験は、不安定な親核におけるガンマ遷移を測定する全吸収ガンマ分光計（TAS）に基づいています。 [85]これらの測定から核構造が分析され、理論モデルの確認や恒星の予測に使用されます。[86]
ミニボール
ミニボール実験は、高解像度のゲルマニウム検出器アレイからなるガンマ線分光装置である。この実験は、クーロン励起および移動反応に関与する短寿命核の崩壊を分析するために使用される。[87]洋ナシ形の重い核の証拠を発見したISOLDEのミニボールの結果は、物理学研究所（IoP）の「物理学におけるトップ10のブレークスルー」に選ばれた。 [88]
奇跡
多重反射COL線形分光装置（MIRACLS）実験は、超微細構造を測定することで、エキゾチックな放射性同位元素の特性を決定します。[ 89 ] MIRACLSは、MR-ToFに捕捉されたイオン束にレーザー分光計を使用して、イオンの飛行経路を増加させます。[90]現在、実験の設計と構築が行われています。[91]
SEC
S散乱実験チャンバー（SEC）実験は多様な反応実験を可能にし、ガンマ線を検出しないSECのためISSやミニボールを補完するものである。[92]このステーションは移行反応を通じて軽い原子核の低エネルギー共鳴を研究するために使用される。 [93]
ヴィト
多目的オンライン偏極技術（VITO）実験は、弱い相互作用を調査し、短寿命の不安定核の特性を決定するために使用されるビームラインです。この実験では、光ポンピング技術を使用してレーザー偏極RIBを生成し、多目的な研究を可能にします。[94] VITOビームラインでは、β- NMR分光ステーションを含む3つの独立した研究が行われています。 [95]
ウィザード
32 Ar崩壊による弱い相互作用の研究（ WISArD）実験は、標準モデル（SM）を超える物理を探索するために弱い相互作用を調査します。 [96] [97] WISArDセットアップは、WITCH実験のインフラストラクチャの一部と超伝導磁石を再利用します。[98] [97]この実験は、親核と娘核から放出された粒子間の角度相関を測定し、非標準的寄与を計算します。[97]
固体物理学研究室
508号館にあるISOLDEに併設されているのは、CERNの固体物理学研究所です。[99]固体物理学研究（SSP）は、年間ビームタイム割り当ての10～15％を占め、ISOLDEで実行される実験全体の約20～25％を使用しています。[100]この研究所は、時間微分摂動角相関（TDPAC）の技術を使用して、ISOLDEが提供する大量の利用可能な放射性元素を調べます。[101]この技術は、材料の強磁性および強誘電特性の測定や、ISOLDE内の他の施設へのイオンビームの提供にも使用されています。 [102] SSPで使用される追加の方法は、トレーサー拡散、オンラインメスバウアー分光法（57 Mn）、および放射性核による光ルミネセンスです。[103]
ビームライン設備
HIE-ISOLDE プロジェクトでは、高エネルギービーム転送 (HEBT) ビームラインのネットワークが ISOLDE 施設に導入されました。[104]共通セクション ビームライン XT00 は、3 つの曲げビームライン (XT01、XT02、XT03) に接続され、異なる実験セットアップにつながります。3 つの同一のビームラインは互いに独立しており、たとえば、最初の XT01 双極子磁石がオフの場合、ビームは XT02 と XT03 に進みます。[105]それらはすべて、2 つの双極子磁石と 2 重四極子を使用してビームを 90 度曲げ、焦点を合わせます。[106] XT01 ビームラインはミニボールに、XT02 ビームラインは ISS に、XT03 ビームラインは SEC 散乱チャンバーなどの移動可能なセットアップにつながります。[107] [108] [109] [106]
オフライン2は、元々のオフライン施設であるオフライン1への需要増加に対応するため、最近ISOLDEに質量分離ビームラインとして設置されました。[110]この施設には、ファラデーケージに囲まれたビームラインのほか、レーザー実験室と制御ステーションがあります。[111]オフライン施設はターゲットテスト研究用に設計されており、分子イオンビームの生成と研究の可能性を含めるようにアップグレードされています。[112] [113]
結果と発見
以下はISOLDE施設で行われた物理学活動のリストです。[114] [115]
- 新しい同位体の発見による核種表の拡張
ISOLDE 施設は継続的に核図を開発しており、希ガス、アルカリ元素、水銀同位体の長鎖における構造進化を研究した最初の施設です。
- 原子核質量の高精度測定
ISOLTRAP実験装置は、一連のペニングトラップを使用して原子核の質量を高精度に測定することができます。[116]この実験では、半減期が非常に短い（<100 ms）同位体を10 −8未満の精度で測定できました。[117] [118] ISOLTRAPでの同位体の「質量への重要な貢献」に関する研究などにより、ハインツ・ユルゲン・クルーゲは2006年にリーゼ・マイトナー賞を受賞しました。[119] [120] [121]
- 軽い水銀同位体の形状のずれの発見
原子核は通常球形ですが、特定の元素の中性子の数が変化すると、核の形状が徐々に変化することがあります。1971年に発表された研究では、水銀同位体の核に中性子を1個追加または削除すると、形状が「ラグビーボール」に変化することが示されました。[122] RILISによる最近の研究では、この形状のずれはビスマス同位体でも発生することが示されています。[123] [124]
- 反転島の測定への貢献と新たな魔法数の発見の可能性
反転島は、周囲の不安定核に比べて同位体の安定性が高まっている核種チャートの領域である。この島は、この崩壊が起こる魔法中性子数（N = 8、14、20、28、50、82、126）と関連している。ISOLDEでのさまざまな実験により、これらの反転島同位体の特性が決定されており、その中には、N = 20の反転島にあるマグネシウム32に対してミニボールで行われた初めての測定も含まれている。 [125] [126]さらに、ISOLTRAP実験では、カルシウム52を使用して、潜在的な新しい魔法数32を明らかにする結果が示されたが、これは後にCRIS実験によって反証された。[127] [128]
- 異性体ビームの製造
核異性体とは、原子核の準安定状態であり、1つまたは複数の核子が同じ原子核の基底状態よりも高いエネルギーレベルを占める状態である。2000年代半ば、REX-ISOLDEは、ミニボールなどの核崩壊実験で使用するために異性体ビームを選択して後加速する技術を開発した。[129] [130]
- ベータ遅延多粒子放出の発見
ベータ遅延2中性子放出の最初の観測は、1979年にISOLDEでリチウム11同位体を使用して行われました。[131]ベータ遅延放出は安定線から離れた同位体で発生し、ベータ崩壊後の粒子放出を伴います。[132] IDSを使用してリチウム11のベータ遅延多粒子放出を調査する新しい研究が提案されています。[133]
- ドリップラインを超えた核共鳴システムとハロー構造の存在に関する研究
核ドリップラインとは、核子を核に追加したときに核子が即座に崩壊する境界である（核子が核から「滴り落ちる」）。[134] REX-ISOLDEの加速RIBは、ドリップラインを超えた核共鳴システムの研究を可能にする移行反応に使用されている。[135]
ドリップラインに近い軽い原子核の中には、原子核の外側で緩く結合した中性子がトンネル効果を起こすことで中性子ハロー構造をとるものがある。[136]このハロー構造の証明は、ISOLDEでリチウム11原子核を分析する一連の実験からなされた。[137]
- 短寿命の洋ナシ型原子核の初観測
ミニボール実験装置を使用して行われた研究では、特にラドン220とラジウム224に洋ナシ形の重い原子核の証拠が見つかりました。[88]これらの結果は、2013年に物理学研究所（IoP）の「物理学におけるトップ10のブレークスルー」に選ばれ、2013年のネイチャーの表紙を飾りました。[138] [139] 2020年には、HIE-ISOLDEのアップグレードにより、ラジウム222も「安定した洋ナシ形」であることがわかりました。[140] [141]ラジウムを含む短寿命の放射性分子に対してレーザー分光法が実行され、さらに研究することで、時間反転対称性の破れにより標準モデルを超える物理学が明らかになる可能性があります。[142]
- 229m Th遷移エネルギーの測定
2023年、ISOLDEは超低エネルギートリウム229m原子核異性体の1%レベルの測定を初めて行い、エネルギー1000mの光子を検出した。8.338 ± 0.024 eV。[143]これは将来の原子核時計 の構築における重要なステップでした。[144]
改善と今後の取り組み
以下は、中期目標と長期目標の両方を考慮したISOLDE施設に必要な改善点のリストです。[145]これらの改善点のいくつかはEPICプロジェクトによって提案されています。[146]
中期
- 並列RIB操作
- 2つのターゲットステーションの新しいビームダンプは、より高いエネルギーと2倍の強度の陽子ビームを提供します。
- 核子当たり10 MeVを超えるエネルギーを増大させるためのHIE-ISOLDE後段加速器のフェーズ3アップグレード
- PSBからの転送ラインのアップグレード
長期的
- 短寿命同位体を貯蔵する機能を備えた貯蔵リングの追加
- より高い分解能を備えた新しいHRS
- 新しいイゾルデビル
- 2つの追加ターゲットステーションの設置
参照
外部リンク
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- CERN ウェブサイト内の ISOLDE ページ
- CERN による ISOLDE に関するミニドキュメンタリー シリーズ (YouTube プレイリスト)
- CERN の ISOLDE で物理学 50 周年を祝う (YouTube ビデオ)
- ISOLDE ウェブサイトからの ISOLDE に関するポスター
- HIE-ISOLDE とその他のアップグレードに関するポスター（ISOLDE ウェブサイトより）
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