방사성 핵종빔을 이용한 26Si 과 27P의 공명준위에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 25Al+p과 26Si+p의 양성자 공명탄성산란 측정을 통하여 26Si과 27P 핵종의 양성자 공명 준위에 대한 연구를 수행하였다. 실험에 사용된 25Al과 26Si 방사성핵종빔은 일본 동경대 핵과학연구소 (Center for Nuclear Study, 이하 CNS)의 저에너지 방사성핵종빔 분리장치인 CRIB (CNS Radioactive Ion Beam separator)을 이용하여 생성 및 분리하였고 생성된 방사성핵종빔을 두꺼운 H2 수소가스표적에 입사하는 역운동학 방법을 사용하였다. 본 연구를 통해 얻어진 두 핵종의 공명 준위에 대한 정보는 25Al(p,)26Si 과 26Si(p,)27P 핵반응의 반응율을 정확하게 결정하기 위한 중요한 자료를 제공한다. 이 두 핵반응은 폭발적인 천체 환경에서 우주방사성 핵종으로 잘 알려진 26Al과 같은 양성자 과잉 핵종의 생성에 관여된 천체핵합성 과정 및 에너지 생성과정에 기여하는 주요한 핵반응 중 하나로 알려져 있다.
26Si의 공명준위에 대한 이전 연구는 양성자문턱에너지 근방의 낮은 준위에 집중되어온 반면, 높은 에너지 영역에 대한 이전 연구에서 몇몇 새로운 준위들이 발견되었으나 핵 준위 변수들은 결정되지 못하였기 때문에 본 연구는 높은 에너지 준위에 대한 공명준위 특성에 초점을 맞추었다. 두꺼운 표적을 통하여 26Si 들뜸에너지 7.1에서 8.0 MeV 영역을 측정하였고 양성자문턱에너지 이상의 영역에서 몇 개의 공명준위들을 관측하였다.
공명 준위에 대한 최근의 많은 연구에도 불구하고 27P의 준위는 단지 몇 개만이 관측되었고 준위 변수들은 여전히 큰 불확실도를 가지고 있다. 본 연구에서는 높은 통계치와 높은 순도의 수소표적 사용을 통한 배경계수 최소화 등의 조건으로 27P 들뜸에너지 2.3에서 3.8MeV의 영역에서 6개의 새로운 공명준위들을 발견하였다. 각 준위에 대한 공명변수는 R-메트릭스 분석을 통하여 얻었다. 얻어진 공명변수를 이용하여 26Si(p,)27P 핵반응의 천체핵반응율을 계산하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Proton resonant states in 26Si and 27P were studied by the resonant elastic scattering of 25Al+p and 26Si+p with 25Al and 26Si radioactive ion beams bombarding a thick H2 gas target with the inverse kinematics method at the low-energy RI beam facility CRIB (CNS Radioactive Ion Beam separator), University of Tokyo. The properties of these resonance states are important to better constrain the production rates of the 25Al(p,)26Si and 26Si(p,)27P reactions. These are astrophysically important reactions needed to understand proton-rich nucleosynthesis such as the galactic production of 26Al and energy generation in explosive stellar environments.
While most of the previous studies have measured the low-lying resonance states in 26Si, the present study is focused on high-lying resonances to address the spin assignments for their levels. Some states in this high energy region have been discovered, but many of their level parameters remain unmeasured. By using a thick target, excitation energies in 26Si of 7.1 to 8.0 MeV were scanned, and several resonances above the proton threshold level were observed.
Although there are recent studies on the resonant structure in 27P, large uncertainties still remain with only a few levels observed. In this work, six new resonant states were observed over the excitation energies range of 2.3 to 3.8 MeV with high statistics and without background contamination within the target. The resonance parameters were extracted by an R-matrix analysis of the excitation functions. The stellar reaction rate of the 26Si(p,)27P reaction has been evaluated, including high-lying resonances found in this work.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Nucleosynthesis in explosive hydrogen burning process 1
• 1.1.1 Thermonuclear reactions 2
• 1.1.2 Stellar reaction rates 3
• 1.1.3 Explosive hydrogen burning 6
• 1.2 Cosmic radioactive 26Al 7
• 1.3 25Al(p,)26Si and 26Si(p,)27P reactions 10
• 1.3.1 Nuclear structures of 26Si and 27P 11
• 2. Experimental Procedure 13
• 2.1 CRIB facility 13
• 2.1.1 Beam separator -Wien Filter 16
• 2.1.2 Experimental chamber 19
• 2.2 Experiment details 21
• 2.2.1 25Al and 26Si beams production 21
• 2.2.2 25Al and 26Si beam energies measurement 27
• 2.2.3 25Al+p and 26Si+p runs 29
• 2.2.4 Measurement of thickness of aluminized Mylar foil as an exit window 33
• 2.2.5 Electronics and Data Acquisition System (DAQ) 35
• 3. Data Analysis 37
• 3.1 Experimental results 37
• 3.1.1 Energy calibration of the silicon detectors 37
• 3.1.2 Particleidentification for the scattered protons 39
• 3.1.3 Background run 44
• 3.1.4 Kinematics conversion to center-of-mass system 46
• 3.1.5 Differential cross section from the yield spectrum ofprotons 55
• 3.1.6 Uncertainties in system 63
• 3.1.7 Identification of elastic and inelastic scattering protons 64
• 3.2 R-matrix analysis on the excitation function 69
• 3.2.1 R-matrix analysis for 26Si+p 72
• 3.2.2 R-matrix analysis for 25Al+p 83
• 3.3 Shell-model calculation of 27P 94
• 4. Astrophysical implication 98
• 5. Summary 102
• References 104
• Publication list 108
• 국문초록 112