陽子陽子弾性散乱 におけるシングル およびダブルスピ ン非対称度の測定 1 KEK 素核研 飯沼 裕美 1.Alekseev et al., Phys. Rev. D 79:094014, 2009. 2.H. Okada (Iinuma) et al., Phys. Lett. B 638, 450-454,

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1 陽子陽子弾性散乱 におけるシングル およびダブルスピ ン非対称度の測定 1 KEK 素核研 飯沼 裕美 1.Alekseev et al., Phys. Rev. D 79:094014, 2009. 2.H. Okada (Iinuma) et al., Phys. Lett. B 638, 450-454, 2006. 京都大学理学部 原子核ハドロン研究 室 & 理研仁科センター 延與放射線研究室 Dr. Bunce 2004 年 3 月 2010/3/21Hiromi Iinuma

2 本研究の二つの目的 2 1 ．陽子ビームの絶対偏極度測定 RHIC スピンプログラムの目玉の一例： Gluon 偏極度測定       PHENIX や STAR が測定 偏極度計が測定 しかし、従来の偏極度計は高速計測可能だが、測定中心値がオフセットを 含み、絶対値補正が必要！ 目 標： 理研 深尾祥紀氏 22pBC- 2 核談新人賞講演 2010/3/21Hiromi Iinuma

3 3 1 ．陽子ビームの絶対偏極度測定 2 ．測定原理となる偏極度能 A N の詳細理解 運動量移行 (-t) が非常に小さく、 Coulomb 力と核力が干渉す る (CNI) 領域 で A N の QED 成分は極大になる。 しかし、核力のスピン依存性の精度の良い理論的知見がな く、 実験からも、技術の制限から良い知見がなかった。 E704, FNAL  s=19.7 GeV Phys. Rev. D 48, 3026 (1993) 1946 年 Schwinger 核力のスピン依存 性 ?本研究の二つの目的  t ~ 0.003 (GeV/c) 2 2010/3/21Hiromi Iinuma

4 pp 弾性散乱は、反応前後のスピン状態、時間と空間の対称性および同一粒子 であることを考慮すると、５通りのヘリシティー振幅で記述できる。 A N, A NN とヘリシティー振幅 A N, A NN とヘリシティー振幅 電磁気力＋核力 -t  0 でゼロになる 微分断面積 全断面積 (-t =0) 実験結果豊富・ Regge 理論でよく説明される。 Pomeron?  0 ? Odderon? モデルいろいろ。 ノンフリップ ダブルフリッ プ シングルフリッ プ 2010/3/214Hiromi Iinuma

5 内容 5 1.RHIC 偏極陽子加速器の紹介 2. 実験について セットアップ 解析 (2004 年データ ) 3. 結果 シングルスピン非対称度 A N ダブルスピン非対称度 A NN ( と  T ) ビーム偏極度 2010/3/21Hiromi Iinuma

6 RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in Brookhaven National Laboratory 1 周 3.83 km 2010/3/216Hiromi Iinuma

7 7 Hydrogen gas jet target system RHIC pp CNI 偏極度計 偏極陽子ビーム 100GeV/c 、 55 バンチ、 1 バンチあたり 10 11 個 (2004 年 ) 、 加速・周回中は横偏極 ( バンチ毎に任意の spin パターン  ……) 、 ビーム加速に伴い、減偏極共鳴ポイントを何度も通過、 スネーク磁石を各部分に設置。 既存偏極度計： pC 弾性散乱偏極度計 AGS, RHIC 両リングに各 1 つず つ、 高速オンライン測定 測定＋解析時間合わせて 1 分程度、 測定結果にオフセットを含む  絶対偏極度計で要補正。 P beam =100 GeV/c O. Jinnouchi, I. Nakagawa P beam =21.7 GeV/c J. Tojo et al. PRL 89, 052302 (2002) 2010/3/21Hiromi Iinuma

8 絶対偏極度計：陽子 - 陽子弾性散乱利 用 8 水素標的 反跳陽子 陽子ビーム 前方散乱陽子  i /  i  0 (i=beam 又は target) ならば、 実現のために・・・・ 高性能偏極水素ガス標的生成に成功  反跳陽子測定可能 、   t ～ 0.001(GeV/c) 2 運動エネルギー 0.6MeV まで計測でき る、  弾性散乱イベント同定精度向上。 私が やった。 2010/3/21Hiromi Iinuma

9 9 2. 実験について セットアップ 偏極水素ガス標的システ ム 反跳陽子検出器 解析 弾性散乱同定 バックグランド見積もり 2010/3/21Hiromi Iinuma

10 偏極水素ガスジェッ ト標的システム 高さ： 3.5 m 重さ： 3 トン RHIC ビームとの位置合 わせをするために装置全 体を x- 軸方向に  10 mm 調整可能。 ガス標的速度 1560  60 m/sec RHIC 陽子 ビーム 偏極水素 標的 反跳陽子 2010/3/2110Hiromi Iinuma

11 高周電磁波 遷移装置 (WFT, SFT) 六極磁石 解離器 標的偏極度 保持磁石 校正用 2 nd 高周電磁波 遷移装置 P + OR P - 六極磁石 イオンゲー ジ |1> |4> |2> |3> |1> |2> 偏極水素ガスジェット標的システム イオンゲー ジ 散乱槽 標的偏極度 測定装置 偏極水素原 子標的製造 装置 |1> |2> |3> |4> 超微細構造 H = p + + e - 2010/3/2111Hiromi Iinuma

12 H 2, H 2 O 分子混入分を補正 ( 係数 1.037 で割る ) P target = 92.4%  1.8% 1 day 水素原子の偏極度 95.8%  0.1% BRP で測 定 水素原子の偏極度 実験期間中、安 定 ! Polarization cycle (+/ 0/  ) = (500/50/500) seconds 水素ガス標的の偏極度 2010/3/2112Hiromi Iinuma

13 標的のサイズ、厚み 衝突点での標的サイズ FWHM = 6.9 mm 反跳陽子の角度分解能   5 mrad を保証。 2.0 mm diameter compression tube を用いた 測定結果とも一致。 ビームから見た標的の厚み (1.3  0.2 )  10 12 atoms/cm 2 ガス標的速度 1560  60 m/sec ガス標的強度 (12.4  0.2)  10 16 atoms/sec 設計値を達成。 RHIC ビーム位置を固定 ( 直径  ~1mm). システム全体を 1.5 mm ステップで動か す。 弾性散乱事象数の位置分布より、標的 形状を算出する。 RHIC-beam と 反跳 陽子検出器を使用 標的サイズ測定 2010/3/2113Hiromi Iinuma

14 右 左 反跳陽子検出器 （シリコン検出 器） 散乱槽の左右フランジに設置 弾性散乱点 （散乱槽中心）から 約 80cm 左右 3 ペア 検出器スペック 厚さ 約 400  m 有効表面積 60mm  64 mm 1 チャンネル 4mm 幅   5mrad 16 チャンネル／シリコン１枚 RHIC 陽子 ビーム 偏極水素 標的 反跳陽子 上 2010/3/2114Hiromi Iinuma

15 Ch#1  source for energy calibration 241 Am(5.486 MeV) Ch#2Ch#3 Ch#4Ch#5 Ch#6 Ch#7Ch#8 Ch#9 Ch#10 Ch#11,12 Ch#13 Ch#14Ch#15 Ch#16 ch#1-16  R,  R 大  T R 大  ToF 小 RR ch#1 #16 Deposit Energy (MeV) 反跳陽子検出器（シリコン検出 器） ガス標的なので、反跳陽子の検出が可能になった。 Deposit energy を運動エネルギー T R に校正  -t = 2m p T R Deposit energy を運動エネルギー T R に校正  -t = 2m p T R 衝突点から約 80cm のところに ある左右のシリコン検出器が 反跳陽子を検出 2010/3/2115Hiromi Iinuma

16 16 (T R & ToF ) を利用して 反跳陽子を同定 弾性散乱イベント同 定 (T R &  R ) を利用して 前方散乱陽子を同定 1. 適切なチャンネルから のイベント数が弾性散 乱事象数になる。 2. 標的・ビームのスピン 状態、検出器の左右、 2 3 =8 組に振り分ける。 2010/3/21Hiromi Iinuma

17 バックグランド見積 もり 17  s=6.8 GeV  s=13.7 GeV pp 弾性散乱イベントの他に・・・ 非弾性散乱イベント pp  (p+  ) p 等、 寄与は無視しうる 校正用 α 線源のテイル 校正用 α 線源のテイル ビーム起源 ビーム起源 バックグランド補 正 2~3 % 程度 バックグランド補 正 2~3 % 程度 2010/3/21Hiromi Iinuma

18 18 3. 結果 シングルスピン非対称度 A N ダブルスピン非対称度 A NN と  T ビーム偏極度 2010/3/21Hiromi Iinuma

19 A N 算出 19 左側の検出器、 ビームスピンアッ プ、標的スピン アップ 水素標的 反跳陽子 陽子ビーム 前方散乱陽子 検出器の左右、ビーム、標的のスピ ン状態の計 2 3 =8 通りに振り分けてあ る。 Square-root-formula アクセプタンス、ビームと 標的の強度のスピン非対称 成分を２次の項までキャン セル 2010/3/21Hiromi Iinuma

20 20 理論計算不確定性大 複素数パラメータ r 5 2004 年 A N 測定結果 主要項：陽子の異 常磁気モーメント 起源 PLB 638 (2006), 450-454 PRD 79 094014 (2009) 3.9 M events 0.8 M events 1. は、  s=6.8 GeV でノンゼロ、  s=13.7 GeV でゼロコンシステント 2. 核力のシングルスピン成分の  s 依存性を示 唆。 2010/3/21Hiromi Iinuma

21 2004 年 A NN 測定結果 21 計算可能、 ほぼゼロ ビームと標的両方の スピン情報を用いる。 理論計算不確定性大 複素数パラメータ r 2 A NN 1.A NN 値は、  s=6.8 、 13.7 GeV でゼロコンシステ ント、 2. 核力のダブルスピン成分はこの  s 領域では小。 2010/3/21Hiromi Iinuma

22 核力のスピン成分の依存性 核力のスピン成分の  s 依存性 22 P beam =21.7 GeV/c P beam ＝ 100 GeV/c  s=13.7 GeV (P beam =100GeV/c) T.L.Trueman 博士 (BNL) に 実験からのインプットと して提供した。 の予言と実験を比較する と・・・。 A NN 測定値から  t 依存性 のないパラメータ r 2 を抽 出 1970~1980 年代に多 くの  T =     測 定実験が行われた。 （私が生まれて “ 少 し ” 経った頃） 本実験 結果 PRD 77, 054005 (2008) PRD 77, 054005 (2008) 2010/3/21Hiromi Iinuma

23 RHIC ビーム (100GeV/c) 偏極度 23 (2004) 3 週間 毎年安定して稼働中！ 6.1% (2005) 2 ヶ月 4.8% (2006) 3 ヶ月 5.2% (2008) 1 ヶ月 グル ― オン偏極度測定 深尾祥紀氏 ( 核談新人賞 ) 22pBC PHENIX スピン物理関連発表 22pBC 、 22pBS 2010/3/21Hiromi Iinuma

24 24 Resonant Laser Ionization of Muonium (~10 6  + /s) Graphite target (20 mm) 3 GeV proton beam ( 333 uA) Surface muon beam (28 MeV/c, 4x10 8 /s) Muonium Production (300 K ~ 25 meV) Muon LINAC (300 MeV/c) Super Precision Magnetic Field (3T, ~1ppm local precision) Silicon Tracker 2010/3/21Hiromi Iinuma

25 25 本学会での関連発表 1.22pBE-6 飯沼裕美 ミューオン g-2/EDM 精密測定用の 貯蔵リング磁石設計 2.23pBS-3 廣田誠子 J-PARC で行うミューオンの g-2 実験のた めの ミューオニウム源の開発 2009 年 12 月プロポーザルを J-PARC PAC 提出。 強いサポート意見＆多くの宿題を得た。 次の PAC 目指して (pre-)CDR にまとめます！ 2010/3/21Hiromi Iinuma

26 backup 262010/3/21Hiromi Iinuma

27 ANpCANpC P beam =100 GeV/c O. Jinnouchi et al. |r 5 |=0 P beam =21.7 GeV/c J. Tojo et al. PRL 89, 052302 (2002) A N pp P beam =100 GeV/c P beam =24 GeV/c |r 5 |=0 A N collection in the CNI region preliminary PLB 638 (2006), 450-454 2010/3/2127Hiromi Iinuma

28 偏極度測定 28 インストール前の準備から、実験中、解析を終えるまで一貫して取り組み、 博士論文、 2 本の投稿論文にまとめた。 偏極度計オンライン解析ツールのパッケージ化をし、加速器オペレータに 渡した。 (2004)3 週間 2010/3/21Hiromi Iinuma

29 核偏極は最大 0.96 になる。 29 120mT 2010/3/21Hiromi Iinuma

30 反跳陽子検出器 80 mm 50 mm 64 mm 70 mm 8mm(Center~1 st strip edge) 浜松 -type BNL-type 散乱槽中心 左右３ペアのシリコン検出器 反跳陽子の飛距離 ～ 0.8 m (10 <  R < 100 mrad,  = 0.205 rad) 左右３ペアのシリコン検出器 反跳陽子の飛距離 ～ 0.8 m (10 <  R < 100 mrad,  = 0.205 rad) 浜松タイプと BNL タイプ 浜松タイプと BNL タイプ 読み出し ch 幅：共に ~4.4mm 読み出し ch 幅：共に ~4.4mm 読み出し 1ch 当たりの容量 読み出し 1ch 当たりの容量 60 pF ( 浜松 )60 pF ( 浜松 ) 80~100 pF （ BNL ）80~100 pF （ BNL ） Entrance-window 厚 （検出器表面の不感応領 域）Entrance-window 厚 （検出器表面の不感応領 域） 1~3  m ( 浜松）1~3  m ( 浜松） 0.1~ 0.2  m （ BNL ）0.1~ 0.2  m （ BNL ） 検出器厚 検出器厚 ~ 400  m ( 浜松）~ 400  m ( 浜松） ~ 450  m （ BNL ）~ 450  m （ BNL ） 浜松 -type 各タイプのエネル ギー校正方法が異な る。 2010/3/2130Hiromi Iinuma

31 バックグラン ド 空標的のデータ： ビーム起源 校正用 α 線源 空標的、 RHIC ビームなし のデータ： 校正用 α 線源 2010/3/2131Hiromi Iinuma

32 Am Gd ビーム起源 陽子のシリコン中の阻止能 (dE/dx) を用いて、 浜松 -type: 385  5  m BNL-type: 414  5  m シリコン検出器の “ 有効感応 厚 “ を算出する。 “ 検出器の有効感応厚 ” を算出 “ 検出器の有効感応厚 ” を算出 ( 反跳陽子の Maximum Deposit Energy を利用 ) 2010/3/2132Hiromi Iinuma

33 浜松 -type: d1=2.69  0.06  m, d2=1.79  0.06  m d2=1.79  0.06  m BNL-type: < 0.2  m 1. Entrance-window 厚の算出 ( 続） α 粒子のシリコン中の阻 止能 (dE/dx) を用いて、 2010/3/2133Hiromi Iinuma