Spectroscopic Study of Neutron Shell Closures via Nucleon Transfer in the Near-Dripline Nucleus 23O Phys. Rev. Lett. 98, 102502 (2007) Z.Elekes et al.

概要 ●22O(d,p)23O  22O + n 反応を使って23O の neutron single particle energy を 測った。 ●4.0MeV (d3/2) と 5.3MeV (pf shell のstate) の共鳴状態が見つかった。 ●s1/2 と d3/2 state のエネルギー差　4.0MeV はN=16のshell gap に対応する。 ●1.3MeV はN=20 のshell gap に対応し Z=8では魔法数が消滅している。

24Oにおける魔法数N=20の消滅 （理論） 魔法数N=16の出現 30Si 29Al 24O 0d3/2 20 20 0d3/2 T.Otsuka et al.,Phys. Rev.Lett. 87, 082502 (2001) pf pf ~4MeV ~6MeV 0d3/2 20 20 0d3/2 sd sd 1s1/2 16 16 1s1/2 0d5/2 14 14 0d5/2 0p1/2 8 8 0p1/2 p p 0p3/2 6 6 0p3/2 0s1/2 2 2 0s1/2 陽子 中性子 30Si 29Al 24O

Z=8、N=14 22O の二重閉殻構造 ガンマ線インビーム分光法 22O22O*γ線 18O と 20O の場合の 約２倍に相当

Invariant Mass Method (不変質量法） 3/2+ 1/2+ 22O + n 2.7MeV 23O Level 図 Erel reaction 22O(d,p)23O  22O + n Sn 22O n Pn P22O p 22O D n 23O* 22O

Setup 入射核破砕片分離装置 RIPS (RIKEN Projectile fragment Separator) 一次ターゲット: 9Be 3mm 一次ビーム: 40Ar 94MeV/nucleon 60nA 二次ビーム: 22O　 ●purity 40%　　　　　　 　　 ●34MeV/nucleon 　　　　 ●600cps

Setup O 同位体を識別 5mm CD2:30mg/cm2 Plastic scintirator  1mm, TOF Si detector  0.5mm, energy loss PPAC  position of the incident particles 2*2 matrix Si telescope  4 layers(0.5mm,0.5mm,2mm,2mm), scattered particles 156 CsI(Tl)  proton >= 1-2MeV 80 NaI(TI)  deeciting gamma rays emitted by inelastically scattered nuclei CD2:30mg/cm2

The excitation energy spectrum of 23O Gate of neutron light outputs (A) > 10 MeVee 23 ns < TOF < 48 ns (13 MeV < E < 53 MeV) Two peaks 4.00(2) MeV and 5.30(4) MeV Resolution ~200 keV(FWHM) Total angle-integrated cross section σ(4.0 MeV)=0.84 ±0.17 mb σ(5.3 MeV)=0.33 ±0.10 mb 実線部分が不変質量法を用いて中性子と22Oの運動量から求めた23Oの励起エネルギースペクトル。 ガンマ線のイベントを取り除くために、light outputが10MeVee以上のイベントを選択している。 またあんまり早い中性子やあんまり遅い中性子は排除している。TOFでいうと25nsから48ns の範囲を選んでおり、エネルギーにすると13MeVから53MeVの範囲に対応する。 （22Oの入射エネルギーが34MeVなので大体プラスマイナス20MeV程度に設定している。） 影付の部分はバックグラウンドで、主にsilicon telescopeに直接ヒットした二次ビームが 反応を起こしたときに出てくる中性子が起源。 23Oの励起エネルギースペクトルと同じゲート条件にして、 また、酸素同位体のmass スペクトルにおけるバックグラウンドを選択した。 すると二つのピークが見えてガウス関数でフィットしたのが下の実線。 4.00(2)MeVと5.30(4)MeVだった。分解能は検出器系のジオメトリーから推定される期待値 200keV(FWHM)に一致する。 GEANT4でefficiencyを見積もり、全断面積を求めた。示された誤差は統計誤差のみ。

運動量移行pn 散乱角度 reaction 22O(d,p)23O  22O + n 23O の第一励起状態の軌道角運動量L （半古典的） 23O の第一励起状態の軌道角運動量L

Angular distribution for the 4 MeV inelastic channel DWBA calculation with the code DWUCK Optical potential Entrance channel : 16O + d Exit channel : 17O + p ● D-wave ● spectroscopic factor Sexp(4MeV) = 0.5 ± 0.1

Excited states of 23O N=20 shell gap USD05計算だと‥ ~7MeV Small spectroscopic ほとんど励起されないはず 　　　　　but 実験からは比較的大きい全断面積 σ(5.3 MeV)=0.33 ±0.10 mb N=16 shell gap MCSM 計算だと‥ 　σ(p3/2) ~ 0.5mb Sexp(5.3MeV) ~ 1.0 　 　σ(f7/2) ~ 20mb Sexp(5.3MeV) ~ 0.02 23Oの基底状態はS1/2と実験で確認されている。 5.3MeVはpf shell のstate 　p3/2　Sexp(5.3MeV) ~ 1.0 f7/2 Sexp(5.3MeV) ~ 0.02

結論 ●不変質量法と(d,p)反応を用いて23Oのsingle particle energy を調べた。 ●4.0MeVと5.3MeVの二つの非束縛状態を見つけた。 ●shell model 計算と比較すると、4.0MeVの非束縛状態は中性子の d2/3　state　であり、N=16 の魔法数を作り出すことを示している。 この結果は、束縛される酸素同位体がA=24 までであることを説明 できる（フッ素は少なくともA=29まで束縛される）。 ●6.0MeV の非束縛状態は fp shell のstate に対応し、sd shell と fp shell の shell gap が1.3MeV と小さくなり、Z=8ではN=20 の魔法数が消滅する という直接的な証拠になった。

22O

(d,p) 反応ではほとんどpopulateされない。 中性子d5/2 hole state は (d,p) 反応ではほとんどpopulateされない。 fp fp d3/2 d3/2 s1/2 s1/2 d5/2 d5/2 中性子 中性子 22O 23O 22O 23O