J-PARCにおける ストレンジネス核物理 谷田 聖(京都大学) 2008年6月25日 セミナー@筑波大学
ストレンジネスを持つ原子核 u c t d s b 原子核: 核子(陽子と中性子)の多体系 クォークのレベルで見ると、アップ(u)とダウン(d) → p(uud), n(udd) クォークは実は6種類ある ストレンジネスを持った粒子 =ハイペロン L=(uds), S+(uus), X0=(uss),... (注:s クォークはストレンジネス -1を持つ) より広い原子核の世界へ u c t d s b
記法 A: バリオン数(核子とハイペロン全部) Z: 全電荷(陽子数ではない!) L: ハイペロン(L, S, Xなど) 例: 例: 1. 3p + 3n + 1L 7LLi 2. 2p + 2n + 2L 6LLHe 3. 1p + 2n + 1X0 2p + 1n + 1X- 普通ハイパー核と呼ばれる 4XH (区別できない)
ハイパー核Chart まだまだ未踏の世界
どんな物理? 新しい相互作用が現れる ハイペロンの原子核中での性質は? 逆に原子核はどうなる?不純物効果? 核力の拡張 [SU(3)対称性] 核力も含めて、バリオン間に働く力を統一的に理解し、その起源に迫りたい 伝統的な中間子交換模型で十分か?クォーク・グルーオンの自由度が現れるのでは? ハイペロンの原子核中での性質は? ハイペロンは混ざりやすい → よりダイナミックなシステムへ 逆に原子核はどうなる?不純物効果? Lが入った原子核が縮む効果は実験的に検証されている 集団運動に変化?より高密度化?
J-PARCとは? J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex 50 GeVの陽子加速器を中心とした大強度加速器群 50 GeV×15 mA = 750 kW KEK-PSの100倍、BNL-AGSの10倍の強度のビームを供給 世界で最も強力なK中間子のビームが得られる → 他の施設の追随を許さない研究が可能 現在茨城県東海村において建設中 2008年末には最初の50 GeV陽子ビームが出てくる予定 2009年からストレンジネス核物理の実験を行う予定
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Feb. 2008
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June, 2007
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J-PARCでのプロジェクト一覧 物性・生命(中性子・μ) 核変換 原子核物理 素粒子物理 ストレンジネス核物理 ハドロン分光 新しいハドロンの探索 陽子構造 高密度原子核物質 不安定核 素粒子物理 ニュートリノ振動 K中間子崩壊 μ稀崩壊
24の実験提案のうち、9つがストレンジネス核物理 すべてScientific approval, 7つがフル採択、4つはDay-1 その他にPentaquark Θ+探索実験(E19)がDay-1
S=-2の世界 初めてhyperon-hyperon 相互作用が現れる 非常にdynamicな システムなのでは? 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 XN-LL-SSが混ざった状態 としてのH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
B8B8 systems classified in the SU3 states with (l, m) (03) [(11)s+3(22)] [3(11)s‐(22)] (22) XL XS(1/2) XS(3/2) ‐3 ― (11)a [‐(11)a+(30)+(03)] [(30)‐(03)] [2(11)a+(30)+(03)] (11)s+ (22)+ (00) (11)s‐ (22)+ (00) (11)s+ (22) ー (11)s+ (22) (11)s- (22)- (00) LL XN(0) XN(1) SL SS(0) SS(1) SS(2) (30) XX(0) XX(1) [‐(11)a+(03)] [(11)a+(03)] [3(11)s‐(22)] LN SN(1/2) SN(3/2) ‐1 NN(0) NN(1) 3E, 1O (P=unsymmetric) 1E, 3O (P=symmetric) B8B8(I) S ‐2 ‐4
H-particle ( H-dibaryon ) flavor-singlet (00) state ( ストレンジネス-2, アイソスピン 0 すなわち ΛΛ-ΞN-ΣΣ系の 1S0-state ) におけるカラー磁気相互作用の振る舞い 短距離斥力は現れず、代わりにかなり強い短距離引力になる! u u s s d d コンパクトな6クォーク系の 新粒子が存在するのでは? ↓ 30年来,世界中の実験家が探索実験に奔走! → ・・・未だ発見されず。 ΛΛ系のすぐ上にある共鳴状態? ⇒ 依然としてストレンジネス-2の系における課題 u s s d d u
採択された実験 S=-2では3つの実験が採択された E03: Measurement of X rays from X- atom Spokesperson – K. Tanida (Kyoto) E05: Spectroscopic study of X-hypernucleus, 12XBe, via the 12C(K-,K+) reaction (Day 1 – 1st priority) Spokesperson – T. Nagae (Kyoto) E07: Systematic study of double strangeness system with an emulsion-counter hybrid method Spokespersons – K. Imai (Kyoto) K. Nakazawa (Gifu) H. Tamura (Tohoku) E03 E05 E07 S=-2では3つの実験が採択された
E05 X核分光 Missing mass spectroscopy of 12C(K-,K+)X 12XBe, 12LLBe 1.8 GeV/c K- ビーム 大強度 1.2x106 K- /spill (Phase-1) 高純度 K-/p- ~6.9 Proton beam 30GeV-9mA
X 系の重要性 XN (有効)相互作用 質量依存性はどうか? 中性子星への影響 例: XN LL はどれだけ強いか? H dibaryonの存在と関連 LL-hypernucleiにおいて、どれだけXN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 X- は負の電荷を持つので、中性子星では早く現れるかも XA 相互作用、特にその質量依存性が大事 S- 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。
XN相互作用モデルと XA光学ポテンシャル One boson exchange (NHC-D, Ehime) odd state に引力 強いA依存性 ESC04d* 3S1(T=0)に強い引力
SksPlus Spectrometer 高分解能: DE~ 3 MeV PK+ ~1.3 GeV/c 95°total bend ~30msr 2.7T(395A) ~1.5T Dp/p=0.12% 95°total bend ~7m flight path Dx=0.3 mm (RMS) 高分解能: DE~ 3 MeV
12C(K-,K+)12XBe spectra calculated by W.S. potential VX0 [MeV] states -24 -20 -16 -12 s-state [nb/sr] 0p3/2g 0s1/2 1- 215 168 123 81 p-states 0p3/2g0p3/2 0p3/2g0p1/2 sum 0+ 2+ 29 164 152 345 20 103 93 216 - DEdet=0 MeV K.Ikeda, et al, Prog. Theor. Phys. 91 (1994) 747 ; Y.Yamamoto, et al, Prog. Theor. Phys. Suppl. 117 (1994) 281 P.Khaustov, et al. Phys. Rev. C61(2000)054603
Expected 12XBe Spectrum 光学ポテンシャル の決定 DE = 3 MeVFWHM VX= -20MeV p X ビームタイム 1ヶ月 [counts/0.5MeV] s X 光学ポテンシャル の決定 This is the expected spectrum by assuming one month date-taking and the experimental reslution of 3 MeV. VX= -14MeV -BX [MeV]
E03 X原子のX線測定 X-atom のX線を測る世界初の実験 Fe(K-,K+) 反応による X- 生成 → 静止 X- → X線測定 X-A の Optical Potential の直接測定 Fe(K-,K+) 反応による X- 生成 → 静止 X- → X線測定 方法の確立を目指す 数多くのX線測定で、 XA相互作用の解明へ ダブルL核のg線分光にもつなげていきたい K- K+ X- X ray Fe target
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) X 原子核のSpectroscopy p-, K-,`p, S- に対して実績ある、強力な手法
X ray energy shift – real part Width, yield – imaginary part l=n-1 (circular state) X l=n-2 l=n-3 ... Energy (arbitrary scale) ... Z nuclear absorption ... X ... Z l (orbital angular momentum) 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、9F, 17Cl, 53I, 82Pb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:43 54 65 76 87 98 109 F(Z=9) Cl(17) Co(27)? Y(39)? I(53) Ho(67)? Pb(82) 131 (keV) 223 314? 394? 475 518? 558 n:43 54 65 76 87 98 109 F(Z=9) Cl(17) ? I(53) Pb(82) 131 (keV) 223 475 558
最初の実験では・・・ 実験的な理由で決める 鉄を選択 小さなZ(A)、でも高密度が必要 生成率: A-0.62 (断面積がA0.38でスケール) Xの静止確率: 高密度(r~10 g/cm3)のターゲットが必要 (X- range: 10-20 g/cm2, bgct ~ 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 X- あたりの収量: 0.1 (核による吸収がなければ~0.4)
実験のセットアップ K1.8 beamline of J-PARC
(K-,K+)反応の測定 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 1.4x106/spill (4s) KEK-PS K2ビームラインで使われてきたもの Large acceptance (~0.2 sr)
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 高レート耐性 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)
エネルギーシフト: ~0.05 keV (systematic dominant) 予想X線スペクトル(1) n= 65 shift & width 4 keV 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
予想X線スペクトル(2) n= 65 shift & width 0 keV 幅: ~ 1 keVくらいまでは直接測れる。
E07 Hybrid Emulsion実験 ~10000個のX-を原子核乾板中に静止 100個のLL核の検出 LL相互作用
LL核の生成 Xp LL が運良く 核内に残る(~10%)
エマルジョン中のイベントの例 各軌跡の長さ・太さ 各バーテックスで何ができたかを推定 粒子の種類・エネルギー 各バーテックスで何ができたかを推定 ハイパー核の束縛エネルギーを出す。 DBLL = BLL - 2BL がLL相互作用による分 → 弱い引力?
LL束縛エネルギーのsystematics DBLLは原子核によって違うかも知れない 例えば Hyperon mixing によって変わり得る 5LLHe 6LLHe p n L p n L p n X p n X Suppress される Enhance される
S=-1の実験 E10: Production of neutron-rich Lambda-hypernuclei with the double charge exchange reaction Spokespersons – A. Sakaguchi (Osaka), T. Fukuda (Osaka E. -C.) E13: Gamma-ray spectroscopy of light hypernuclei Spokesperson – H. Tamura (Tohoku) E15: A search for deeply-bound kaonic nuclear states by in-flight 3He(K-,n) reaction Spokespersons – M. Iwasaki (RIKEN), T. Nagae (Kyoto) E17: Precision spectroscopy of kaonic 3He 3d2p X-rays Spokesperson – R. S. Hayano (Tokyo), H. Outa (RIKEN) E18: Coincidence measurement of the weak decay of 12LC and the three-body weak interaction process Spokespersons: H. C. Bhang (Seoul), H. Outa (RIKEN), H. Park (KRISS) E22: Exclusive study on the LN weak interaction in A=4 L-Hypernuclei Spokespersons: S. Ajimura (Osaka), A. Sakaguchi (Osaka)
S=+1の実験 Pentaquark Θ+は S=+1を持つ もし本当に存在するならば、S=+1での核物理ができる可能性 ? S=+1
Θハイパー核 ハイペロンの相互作用をさらに拡大して、ΘN相互作用を。 Θとは何か、に対するヒントにもなる。 まあ、あるなら作ってみたい。 例えば、[D. Cabrera et al., nucl-th/0407007]によると、 Θ-KNのみを考慮したSelf-energy計算(早い話がK交換) では、弱すぎて束縛しない。 Θ-KπNを考慮すると、強い引力(~100 MeV)が得られる。 (N(1710)がNππに強くcoupleすることを考慮) 他にもいろいろなシナリオがあり得る。 まあ、あるなら作ってみたい。
(K+,p)反応 素過程: d(K+,p)Θ 運動量移行: 前方ではほぼ0にできる。 高分解能測定が可能
d(K+,p)Θ反応 on-shell 近似 一方で、0.1-0.5 mbという見積もりもある[nucl-th/0705.3965] 初段は pK+ pK+, nK+ pK0 の2種類 断面積 ∝ (quasi-free 反応の断面積) ×(フェルミ運動によって共鳴条件が満たされる確率) 一方で、0.1-0.5 mbという見積もりもある[nucl-th/0705.3965] K+ の原子核ターゲットによる吸収のデータをextrapolate Θが KpN とカップルすることによって生じるΘNKNNという効果によるものと考えることができる。 原子核ターゲットでは、より顕著な効果 n Θ K p
on-shell 近似での計算例 ds/dW×2π(mb/sr) Γ=1 MeVだと、 ~1 mb/sr(重心系) cosθ(CM系) 永廣さんによる ds/dW×2π(mb/sr) Γ=1 MeVだと、 ~1 mb/sr(重心系) cosθ(CM系)
実験セットアップ 前方スペクトロメータ+横方向カウンター 横方向の粒子に対しては、運動量分解能は不要、 ただし、低エネルギー陽子を捕まえる工夫が必要。 to SKS+
原子核ターゲットでは? 核子による散乱、別の核子による吸収の両方とも増加 s-shell核(4He)ならrecoillessで効率よく生成可能 dターゲットの場合と同じくらいの統計が得られる? Fermi運動が大きくなるので注意が必要。 重い核は難しいかも。 バックグラウンド増加 崩壊後のp/K0が抜けて来なくなる。 ただし、ΘNKNNが効くような場合は断面積が増加。 ハイパー核の状態幅は? パウリ効果、phase spaceの減少によってfree-spaceよりも 細くなるはず。 逆に太くなったりすると面白い(ΘNKNNの効果?)
まとめ 現在建設中のJ-PARCにおいて、ストレンジネス核物理はメインの研究テーマ 9つの実験が提案・採択済み 5つのDay-1実験 さらに多くのアイデアが考えられている 世界最強のKビームを活かして、S=-2から+1まで幅広い実験が考えられている。 実験は2008年度末ごろから開始予定 今後もJ-PARCにおける発展が期待できる