まったく新しいイオンビーム冷却原理の提唱 -安定の島原子核など未知の粒子や物理現象の探索へ-

2026-04-17 理化学研究所

本研究は、理化学研究所が、イオンビームを超高速で整える新原理「荷電変換冷却(CEC)」を提案した成果である。従来は摩擦的作用でビームのばらつきを徐々に抑えていたが、本手法ではイオンの価数変化に伴い軌道中心(支点)を切り替えることで振動を急速に減衰させる。計算機シミュレーションにより、従来の秒オーダーに対しマイクロ秒で冷却が進むことを確認した。これにより短寿命原子核を含む重イオンビームの高強度・高品質化が可能となり、「安定の島」など未知の原子核領域の探索が現実的になる。加速器物理における革新的技術として、基礎物理研究の大幅な進展が期待される。

まったく新しいイオンビーム冷却原理の提唱 -安定の島原子核など未知の粒子や物理現象の探索へ-
従来の冷却の概念図(左)、新しい冷却の概念図(中央)、超高速冷却の計算例(右)

<関連情報>

多電荷状態重イオンビームの電荷交換冷却 Charge-exchange cooling of multicharge-state heavy-ion beams

Hiroshi Imao
Physical Review Accelerators and Beams  Published: 14 April, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/f53n-9ccy

Abstract

A novel cooling mechanism for heavy-ion beams, termed charge-exchange cooling (CEC), is proposed. Phase-space-dependent zoned charge exchange combined with charge-state-dependent closed-orbit distortions (CODs) enables rapid, autonomous, turn-by-turn contraction of the phase-space distribution for continuous-wave heavy-ion beams. The resulting dynamics forms a stochastic affine-map system with state-dependent switching and a net negative drift. CEC is implemented in the charge stripper ring 1 (CSR1), under development at the RIKEN RI Beam Factory, where zoned charge exchange and charge-state-specific CODs are readily incorporated. Proof-of-principle studies based on two- and multicharge-state models, together with realistic CSR1 simulations, demonstrate fast turn-by-turn cooling under practical machine conditions and establish CEC as a new beam-cooling principle with potential implications for future accelerator design and applications.

1701物理及び化学
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