S=  2 の系における X 線・  線分 光実験計画 XiX Collaboration (J-PARC E03) 実験代表者：谷田 聖（京都大学） 2007 年 3 月 2 日 鳥 羽

J-PARC E03 collaboration Kyoto University –S. Dairaku, H. Fujimura, S. Hiraiwa, K. Imai, S. Kamigaito, K. Miwa, A. Okamura, A. Sato, K. Senzaka, K. Tanida (spokesperson), C. J. Yoon Brookhaven National Laboratory –R. E. Chrien China Institute of Atomic Energy –Y. Y. Fu, C. P. Li, X. M. Li, J. Zhou, S. H. Zhou, L. H. Zhu Gifu University –K. Nakazawa, T. Watanabe KEK –H. Noumi, Y. Sato, M. Sekimoto, H. Takahashi, T. Takahashi, A. Toyoda JINR(Russia) –E. Evtoukhovitch, V. Kalinnikov, W. Kallies, N. Karavchuk, A. Moissenko, D. Mzhavia, V. Samoilov, Z. Tsamalaidze, O. Zaimidoroga Tohoku University –O. Hashimoto, K. Hosomi, T. Koike, Y. Ma, M. Mimori, K. Shirotori, H. Tamura, M. Ukai

実験の概略  -atom の X 線を測る世界初の実験 –  -A の Optical Potential の直接測定 Fe(K -,K + ) 反応による  - 生成 → 静止  - → X 線測定 方法の確立を目指す – 数多くの X 線測定で、  A 相互作用の解明へ – ダブル  核の  線分光にもつなげていきたい K-K- K+K+  X ray Fe target

目指す物理 S=-2 での strangeness nuclear physics – 初めて hyperon-hyperon 相互作用が現れる ここがわからないと multi strangeness 系に行けない。 – 非常に dynamic な システムなのでは？ Large baryon mixing? 質量差に反比例  N-  が混ざった状態 としての  ダイバリオン？ ほとんどわかっていない。  J-PARC での中心課題

 系の重要性  N （有効）相互作用 – 例：  N   はどれだけ強いか？ H dibaryon の存在と関連  -hypernuclei において、どれだけ  N は混ざるか？ –One meson exchange 模型では交換相互作用が禁止 質量依存性はどうか？ 中性子星への影響 –   は負の電荷を持つので、中性子星では早く現れるかも  A 相互作用、特にその質量依存性が大事 –    が重要であると考えられてきたが、核内で強い斥力を 受けることがわかってきた。

実験の原理 原子 – 波動関数を精確に計算可能 1 次摂動 –Optical Potential の形を仮定 すれば、 1 つの測定でその強さ は決定可能。 – 数多くのデータがあれば、形も 決定できる。 –1 次摂動が良い近似でない場合 でもこれは成り立つ 直接測定できる（ただし主に周辺部にのみ敏感）   原子核の Spectroscopy  , K ,  p,    に対して実績ある、強力な手法

l (orbital angular momentum) Energy (arbitrary scale)... l=n-1 (circular state) l=n-2 l=n-3 nuclear absorption Z  Z  X ray energy shift – real part Width, yield – imaginary part

ターゲットの選択 Physics view: Batty et al. PRC59(1999)295 – ある X 線に対して、最適なターゲットが存在する 始状態での吸収は十分弱い X 線のエネルギーシフトと幅が最大 (~1 keV) –n=3,4,7,9 のそれぞれに対して、 9 F, 17 Cl, 53 I, 82 Pb を提案 最適なターゲット： Optical Potential によって決ま る  最初の実験の前にはわからない n:4  35454656576768787989810  9 F(Z=9)Cl(17)??I(53)?Pb(82) 131 (keV)223??475?558 n:4  35454656576768787989810  9 F(Z=9)Cl(17)Co(27)?Y(39)?I(53)Ho(67)?Pb(82) 131 (keV)223314?394?475518?558

実験的な理由で決める  鉄を選択 – 生成率 : A （断面積が A 0.38 でスケール） –  の静止確率 : 高密度（  ~10 g/cm 3 ）のターゲットが必要 (   range: g/cm 2,  c  ~ 2cm) – ターゲットによる X 線の吸収 : significant at large Z  小さな Z （ A) 、でも高密度が必要 小池さんによる計算： 鉄の n=6  5 遷移 –Woods-Saxon potential:  24  3i MeV –Energy shift: 4.4 keV, width: 3.9 keV – 静止   あたりの収量： 0.1 ( 核による吸収がなければ ~0.4) 最初の実験では・・・

実験のセットアップ K1.8 beamline of J-PARC

(K -,K + ) 反応の測定 KK KK KEK-PS K2 ビームラインで使われてきたもの Large acceptance (~0.2 sr) 1.8 GeV/c 1.4x10 6 /spill (4s)

X 線測定： Hyperball-J ゲルマニウム検出器 ~40 台 PWO anti-Compton ピーク効率 –16% at 284 keV 高レート耐性 –< 50% deadtime キャリブレーション –In-beam, frequent – 精度 ~ 0.05 keV エネルギー分解能 –~2 keV (FWHM)

収量と実験精度の見積もり ビーム量 : 1.0x10 12 （ 800 時間）    の収量： – 生成量 : 3.7×10 6 – 静止 : 7.5×10 5 X 線の収量： 2500 for n=6  5 transition –7200 for n=7  6 実験精度 – エネルギーシフト : ~0.05 keV (systematic dominant)  予想されるシフトに対して十分 (~1 keV) < 5% の精度になる – 幅 : ~ 1 keV くらいまでは直接測れる X 線の収量から、さらに情報が得られる。

予想 X 線スペクトル（ 1 ） n= 6  5 shift & width 0 keV

予想 X 線スペクトル（ 2 ） n= 6  5 shift & width 4 keV

ダブル  核の  線測定（ ? ） stop   あたり 1% ぐらいの強度の  線まで観測可能  ダブル  核の  線が見えないか？ ダブル  核はどれくらいできるのか？ – トータルでは～ 10 ％程度 – 12 C ターゲットの場合の平田氏らの計算では、 11  Be, 10  Be がそれぞれ 3% ずつ  鉄でも多い核は 3 ％かそれ以上できると期待  は高い励起状態にできる。 –  が角運動量（ ~5 ）を持ち込むことにも注意。   線放出は高確率で起こりそう

56 Fe ＋  - 0(MeV)  Fe-  - atom (n=6) 55 Mn ＋ p+  Mn ＋    Mn(g.s.)  MeV B  ~21 MeV × ２ 1-2 個核子を放出 すれば、  は十 分核内にトラップ される （ ~10 ％？） Nuclear Auger/ 蒸発 による核子放出 (2~ ３個 ) その後  線  

どのハイパー核？ 57  Mn から典型的には 4 つぐらい核子が抜けそう。 → 53  Mn 、 53  Cr あたりか。 一番多くできるのは、 single  ハイパー核 – これが最も困難な B.G. – 一番できそうなのは、 54, ５５  Mn あたり。 – 実際には何が見えたかわからない？ 通常核は Reference があるので識別可能。

希望はあるのか？ 希望１： できる核は限られている。 –Q 値から言って、できる核は数種類程度で、ある程度予測 可能 – 12 C ターゲットでの計算では 10,11  Be に強い集中が見られる。 → どなたか計算できませんか？ 希望２： うまく行くパターンがありうる。 –Double  核の基底状態付近では、  は 2 つとも 0s 軌道にいて、 その自由度は死んでいる。 – 従って、強度の強い  線はコアの脱励起によるもの。

うまく行く（かも知れない）パ ターン 期待：  1,  2 のエネルギーは、コア核の場合と ほぼ同じはず – 2 つの  が coincidence することを示し、 – その両方とエネルギーが近い  線を出すコア核を探す  

例： 53  Mn の場合 56 Fe → 57  Mn から 4 つ中性子が抜けたことを想定 – コア核は 51 Mn –  が角運動量（ L~5 ）を持ち込むため、スピンが比較的 大きい状態ができやすいはず。 第 2 励起状態 （ E x =1140 keV ） からは、 86% の割合 で、第一励起状態 への  線が出る。

理論屋さんにお願いしたいこと X 線測定 –X 線エネルギーの精密計算 – 各バリオン間相互作用モデルはどれくらいのエネルギー シフト（幅）を予想しますか？特徴はどこに現れます か？最適なターゲットは何ですか？ ダブル  核：どのハイパー核がどれくらいできそう か、計算できませんか？ 測定に成功したとして、その物理的意味は？ – 「コアの脱励起で、  線のエネルギーが余り変化しない」 場合 にだけ測定ができるとして、それから何がわかります か？ 回転モーメントはどれだけ変わりそうですか？ 偶偶核の が回転的  振動的に変化したり、なんてことが ありませんか？ –  相互作用が顔を出す、なんてことは？軽い核？

まとめと見通し  原子からの X 線を測定する実験提案 –  -A の Optical Potential – シリーズの最初の実験。世界初 – 実験手法の確立を目指す 最初の実験としては、実験のやりやすさを主に考え て鉄をターゲットとして使用。 X 線エネルギーの測定精度 ~ 0.05 keV – 予想されるエネルギーシフトに対して十分良い (~1 keV) – 幅 : ~ 1 keV までは直接測れる。収量からの間接情報 Byproduct: ダブル  核の  線分光 – 観測は多分可能 –ID がネックだが、うまく行く可能性はある

将来の見通し（希望） J-PARC の PAC において Stage2 Approval （ full approval! ）を認められた。 – 実験に本質的困難はない。 2008 年には準備ができている予定 –2010 年には最初の実験を行いたい。 最終のゴールは、各ｎから 2 つ程度のデータ – 鉄の結果を見て、次のターゲットを選定。 – 全部では１０点くらいのデータが得られる。 – 強さだけでなく、形の情報も得られる予定 – 見積もり通りなら、 1-2 週間で 1 つのターゲットの実験が 可能 もしダブル  核の  線が見える（そして ID できる）な ら、ダイアモンドターゲットを使った専用実験をや りたい

Backup slides

Summary of the experiment Produce  - by the (K-,K+) reaction, make it stop in a Fe target, and measure X rays from  - atom. Physics: –  -nucleus interaction (optical potential) –Real part – shift of X-ray energy (up to ~10 keV) Imaginary part – width, yield Sensitivity –X-ray enerygy shift: ~0.05 keV  Good for expected shift of O(1keV) –Width: directly measurable down to ~ 1keV K-K+  X ray Fe target

 核 Spectroscopy の問題点 主にコア励起の問題 –2 つ以上の状態がある場合、それらを分離できなければ、 位置・幅は正確に出せない。 – 特に幅を出す上で問題になる – そもそもピークが分離できない 場合さえある KEK-PS E369 KEK-PS E522

Yield estimation Y=N K x    x t x  K x  K x R  x R X x (1-  X ) x  X x  o Beam: N K (total number of K-) = 1.0×10 12 Target: –   ： (differential) cross section = 180  b/sr Taken from IIjima et al. [NPA 546 (1992) ] –t: target thickness （ particles/cm 2 ） = 2.6x10 23 –R  : stopping probability of  in the target = 20% (according to a GEANT4 simulation) –R X : branching ratio of X-ray emission = 10% (estimated by Koike) –  X : probability of self X-ray absorption in the target = 58% (GEANT4 simulation: mean free path for 284 keV X-ray is ~8 mm)

K+ spectrometer –  K : acceptance = 0.2 sr –  K : detection efficiency = 0.51 (taken from the proposal of BNL-AGS E964 ) X-ray detection –  X : X-ray detection efficiency = 8 ％ [16% (GEANT4 simulation) x 0.5 (in-beam live time)] Others –  o : overall efficiency (DAQ, trigger, etc.) = 0.8

X-ray background Estimation based on E419 E419: 8 x counts/keV/(  ,K + ), around 284 keV –X-ray detection efficiency: x4 –Other effect: x2 (considering different reaction)  ~2400 counts/keV Continuous BG is OK Line background might be a problem, though unlikely. –there seem no strong lines in this energy from normal nuclei around A=50. –Completely unknown for (single) hypernuclei –Even weak lines may deform the peak shape

Expected X-ray spectrum

456 (weakly) attractive at peripheral (strongly) repulsive at center r(fm) 1 keV 1 eV 