「J-PARCハドロン物理の将来を考える」 研究会＠理研 ２００８年９月１日 後藤雄二（理研）

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1 「J-PARCハドロン物理の将来を考える」 研究会＠理研 ２００８年９月１日 後藤雄二（理研）
今日はドレルヤンの話はもう聞いているからチャームの話をせよということなので しますが、詰めはまだ甘い話なので、その辺はご容赦ください。

2 トークの内容 オープンチャーム生成（D中間子） チャーム生成断面積測定 スピン非対称度測定 J-PARC実験 Thanks to
（チャーモニウム生成） チャーム生成断面積測定 スピン非対称度測定 J-PARC実験 Thanks to Marco Stratmann 竹谷さん（理研） for 「J-PARCでのスピン/ハドロン物理の展開」研究会＠理研（４月７日、８日）でのスライド チャームの話としてはオープンチャームの話とチャーモニウムの話があり得ますが、 チャーモニウム、つまりJ/psi等の話ですが、こちらはさらに話をするにはまだ難しい点があるので今日の話は主にオープンチャームの話です。 生成断面積、スピン非対称度の話をして、J-PARC実験としての可能性を考えます。 スライドは４月に理研で行った「J-PARCでのスピン/ハドロン物理の展開」研究会でMarco Stratmannさんや理研の竹谷さんが見せたものなどをそのまま用いている部分が多いです。 September 1, 2008

3 オープンチャーム生成 生成過程 大きいxBjの領域 perturbative QCD で理解できるか？
J. Riedl, A. Schäfer, M. Stratmann, EPJ C52, 987 (2007). RHIC実験では、生成断面積がpQCDで説明できるかを示し、それをスピン非対称度に対しpQCDを用いて解釈する論拠としている J-PARCでも同様の方法論を用いることができるか？ まず、オープンチャームの生成断面積測定の話、これは大きなx-Bjorkenでの生成の話となるのですが、それがperturbative QCDで理解できるか、という話をします。 RHIC実験では我々は生成断面積がpQCDで説明できるかをまず示し、それをスピン非対称度に対してpQCDを用いて解釈する論拠としていますが、J-PARCでも同様の方法論を用いることができるか？という話です。 September 1, 2008

4 大きいxBjの領域 Slide by Marco Stratmann
J-PARCで見るx-Bjorkenがどのような領域かというと、これはSQRT(ｓ）＝１０GeVで３GeVのチャームペアが作られるような話なので、x-Bjorkenで０．３とかいう領域の話になります。 こちらはCTEQグループのグローバル解析でクォーク、グルーオンの分布関数がどのくらいの不確定性を持っているかを示す図ですが、ｘ＝０．３というのは、不確定性が特にグルーオン分布については非常に大きい領域です。つまりJ-PARCでこの領域に対するデータが得られれば、この分布関数を用いている他の実験に対しても不確定性を減らす大きな貢献となります。 September 1, 2008

5 生成過程 Slide by Marco Stratmann
で、チャーム生成はpQCDではどのような過程から得られるかというと、Leading Order では主にquark-antiquarkの対消滅かグルーオン・グルーオンフュージョンです。このどちらの寄与が大きいかによって、クォーク、反クォークに対する感度が高いか、グルーオンに対する感度が高いかということになりますが、これをMarcoたちがCTEQ分布関数を用いてNext-Leading orderのレベルで行った計算から見ていきます。 September 1, 2008

6 生成断面積測定 Slide by Marco Stratmann
まずはこちらが彼らのチャームの生成断面積と過去の実験結果を比較したものです。 過去のデータといのは今のところ低いところでsqrt(s)=20GeV程度までしかなくて、その範囲でNext-Leading orderでのpQCD計算は大きなcharm massとスケール依存性のもと説明はできているというのが現状です。GSIやJ-PARCのデータはこれに対し、さらに低いsqrt(s)での新たなデータとなります。 GSIというのは、proton 15-GeV, anti-proton 3.5-GeV の衝突に対するものです。 September 1, 2008

7 生成断面積測定 Slide by Marco Stratmann 現状でのGSIとJ-PARCエネルギーでの予言がこちらになります。
ここでGSIではproton-anti-proton衝突ではvalence-valence散乱となるquark-anti-quarkの寄与がdominantで、J-PARCではgluon-gluon fusionがdominantとなるというのが示されています。 RHICのような高いエネルギーでの衝突では当然xの小さいところでdominantなgluonの反応がdominantになるのでですが、なぜJ-PARCのような低いエネルギーでgluonの反応がdominantになるかというと、… September 1, 2008

8 生成断面積測定 Slide by Marco Stratmann
こちらのちょっとみにくい絵で示されているのはクォーク、グルーオンの分布関数で、高いxではvalence quarkが多いとはいっても、グルーオンは依然かなりの割合を占めていて、さらにquark-antiquark反応のソースとなるantiquarkに比べると圧倒的に多いことがわかります。 このため、J-PARCのエネルギーでも、こちらの図のようにq-qbarのルミノシティーとgluon-gluonのルミノシティーという形で示しても、qqbarよりもgluon-gluonの方がdominantになることがわかります。 ただし、こちらにコメントされていますが、xの高い領域、x>0.3とかx>0.4.でgluon分布には大きな不確定性があり、エラーの範囲で必ずしもこれは正しくないかもしれないことは注意してください。 September 1, 2008

9 pQCDで理解できるか？ Threshold resummation 補正が必要 Drell-Yan@J-PARC の場合
by 横谷さん（新潟大/CERN) 50 GeV (s = 10 GeV)では収束する 30 GeV (s = 7.7 GeV)では収束が悪い 計算中… これで、このようなNext-Leading orderでの予言に従った結果が出るだろうかというと、おそらく出なくてJ-PARCのようなエネルギーではthreshold resummation補正が必要となります。 これはDrell-Yan反応に対しては横谷さんの計算があるので、次にそれを見ます。この計算はJ-PARCのエネルギー50GeVでは収束した結果が出ているけど、30GeVだと収束が悪くて結果が不安定になってしまうというのが、現状のようで、さらにcharm生成に対してはまだ計算が行われていないようです。 エネルギー50GeVでのDrell-Yan反応に対する結果は、… September 1, 2008

10 pQCDで理解できるか？ （Drell-Yanの場合）
Slide by 横谷さん （新潟大/CERN） pQCDで理解できるか？ （Drell-Yanの場合） こちらのLeading-Orderに対する比で示されます。 Next-to-Leading logarithm、Next-to-next-to-Leading logarithm、NLL+NLO、NNLL+NNLO の計算が近い結果を示すということです。 比の値は、massの値によって、3から10以上と変わりますが、結果は安定していて、… September 1, 2008

11 pQCDで理解できるか？ （Drell-Yanの場合）
Slide by 横谷さん （新潟大/CERN） pQCDで理解できるか？ （Drell-Yanの場合） Drell-Yan反応の生成断面積に対する予言としては、スケーリングを示すこちらの縦軸の断面積に対してJ-PARCでは、スケーリングのレベルより3倍から10倍以上高い値を示すということになります。 September 1, 2008

12 Intrinsic charm Slide by Marco Stratmann
これは陽子中のsea-quarkとしてのcharm quarkの割合で、１％程度あるという予言があります。 そしてこれは高いx-Bjorkenの領域に対するものです。 September 1, 2008

13 Intrinsic charm Slide by Marco Stratmann
最近、CTEQグループはグローバル解析での現状でのintrinsic charmに対する上限を求めていて、intrinsic charmが２％以上の領域は、こちらのchi^2分布に示されるように棄却しています。しかし、１％程度はまだある可能性はあり、それはintrinsic charmの予言では、例えばこちらの図で示されるような、大きなx-Bjorken領域で予言されています。これはJ-PARCのエネルギーで感度がある領域で、生成断面積で言うとどの程度の予言になるのかは知らないのですが、長年答えのない予言に対して感度のよい結果を与えられるのではないかと期待します。 September 1, 2008

14 スピン非対称度測定 ALL測定 AN測定 double helicity asymmetry
陽子スピンに対するクォークスピン、グルーオンスピンの寄与 AN測定 single transverse-spin asymmetry Sivers関数の測定 陽子スピンに対する軌道角運動量の寄与 続いてスピン非対称度の測定の話をします。これはJ-PARCで偏極陽子加速が可能となった際の物理で、縦偏極でdouble helicity asymmetry 測定からは陽子スピンに対するクォークスピン、グルーオンスピンの寄与に対する測定が得られ、横偏極でのsingle transverse-spin asymmetryは、Sivers関数の測定ができて、陽子スピンに対する軌道角運動量の寄与の情報が得られます。 September 1, 2008

15 ALL測定 偏極ハドロン衝突実験 double helicity asymmetry leading-order グルーオン測定
光子の直接生成 重いフレーバー生成 proton beam  or  gluon photon proton beam  or  gluon heavy flavor まずは１枚だけA_LL測定に対するイントロを与えると、double helicity asymmetry A_LL というのは、こちらで計算される量で、偏極方向が縦方向にparallelな場合とanti-parallelな場合のasymmetryです。これはgluon-gluon fusionからのcharm対生成に対しては、陽子スピンに対するグルーオンスピンの寄与を表します。 September 1, 2008

16 オープンチャームALL測定 Slide by Marco Stratmann
そして、MarcoたちのNLO pQCD計算では、右のJ-PARCでの測定はgluon-gluon fusionがdominantになり、A_LLに対する予言はグルーオンスピンの寄与により色々な偏極分布関数の違いに対して感度が高い測定となります。 一方左のGSI測定ではvalence-valence散乱がdominantなので、比較的過去のデータでvalence　quark spin の寄与は決まっているので、偏極分布関数による差は小さくなります。 September 1, 2008

17 AN測定 SSA (Single Spin Asymmetry)、左右非対称度 前方 xF > 0.2 Fermilab-E704
固定標的実験 s = 19.4 GeV 非対称度 ~20% 多くのQCDに基づく理論の開発 横偏極の場合は、偏極ビームまたは偏極ターゲットを用いてleft-right asymmetryまたは角分布のmodulationからA_Nを得ます。 こちらはsqrt(s)=20GeVのFNAL-E704の偏極陽子衝突でのA_Nの結果ですが、１９９０年ころ前方のパイ、エータに大きなA_Nが発見されました。これはそれまで考えられていなかった大きな非対称度であり、この結果に対して多くのＱＣＤに基づく理論が開発されました。 September 1, 2008

18 分布関数と破砕関数 Transversity分布関数 Sivers分布関数 Collins破砕関数
横方向に偏極した陽子内部におけるパートンの横方向スピンの分布 Sivers分布関数 陽子の横方向スピンと、陽子内部の非偏極パートンの横方向運動量(pT2)との相関 Collins破砕関数 破砕するパートンの横方向スピンと、生成されたハドロンのパートンに対する横方向運動量(kT2)との相関 それは例えばこれらの新たな分布関数、破砕関数で説明するものですが、パイオン生成などの場合、これらの効果を区別できないのに対し、チャーム生成過程は終状態へのspin transferがないため、始状態の効果であるこのSivers関数の効果だけが現れることになります。 September 1, 2008

19 オープンチャームAN測定 SSA measurement of open charm production
J-PARC: Elab = 50 GeV SSA measurement of open charm production no single-spin transfer to the final state sensitive to initial state effect: Sivers effect collider energies: gluon-fusion dominant sensitive to gluon Sivers effect fixed-target energies: quark-pair annihilation dominant sinsitive to quark Sivers effect RHIC: s = 200 GeV これはその非対称度をオープンチャーム生成に対して計算したもので、Anselmino, D’Alesioらのグループによるものです。コライダーエネルギーではgluon-fusion processからの効果が大きく見えるのに対して、J-PARCエネルギーではquark-annihilation processが大きく見えます。これは古いスライドなのでquark-annihilation processがdominantなので、そのようになると書いていますが、生成比としてはgluon-fusion processの方がdominantなので、生成比とプロセスごとの非対称度の大きさの積としてそのようになるということです。 M. Anselmino, U. D’Alesio, F. Murgia, et al. September 1, 2008

20 What we are making for RHIC PHENIX
Identifying charm and bottom in such high multiplicity environments. dN/dη　~ 700 for heavy ion collision さて、そのようなオープンチャーム生成をJ-PARCでどのように測定するか、ですが、我々は現在PHENIX実験におけるシリコンバーテックス検出器を建設中です。 RIKEN Si Group Posdoc+ 3 grad. Rikkyo, KEK, Tokyo Inst. Tech, September 1, 2008

21 Identifying heavy flavor
Charm ~ 100mm Bottom　　~ 300mｍ Si sesnor Charmed or bottomed meson/baryon これはコライダー実験であり、このようなバーテックスを４層のシリコン検出器で認識します。 Pol-Proton Pol Proton September 1, 2008

22 Full detector shape Inner 2 barrel will be equipped with silicon Pixel detector これは内側２層がシリコンピクセル検出器、外側２層がストリップ検出器ですが、２次元読み出しを片面から行えるような特殊な構造をもったストリップ検出器を作っています。 September 1, 2008

23 Pixel Detector Prototype of pixel ladder was assembled. 250mm
この写真はラダーとして組み立てられたピクセル検出器のプロトタイプです。 September 1, 2008

24 Barrel Outer Two Strip Layers
Single sided, two dimensional read-out Z. Li (BNL Inst. Division) Ionization collected by two “serpentines” Each serpentine => strip Readout chip SVX4 Current R&D S/N Board containing SVX4 Stripixel sensor CDF SVX4 hybrid こちらはまだラダーまでいっていませんが、ストリップ検出器の写真です。 これらをJ-PARCの固定標的実験で同様に２層、２層用いた構成を考えて、どの程度のオープンチャーム測定ができるかを考えました。 September 1, 2008

25 オープンチャーム生成 cross section
PYTHIA (6.228) study with PHENIX tune (<kT> = 1.5 GeV/c, Mc = 1.25 GeV/c2, K-factor = 3.5, Q2 = s) J-PARC: 3-4 order smaller cross section than that at RHIC can be compensated by higher intensity/luminosity at J-PARC… 15 10 1 0.1 consistent at fixed-target region, too smaller yield (same result as Laurenco’s study) Wohri and Lourenco 評価はPYTHIAを用いて行いましたが、PYTHIAのオープンチャーム生成をパラメータ調整すると、さきほどのMarcoらの与えた生成断面積とconsistentな生成断面積が得られます。その量はRHICでの断面積よりも３－４桁低いのですが、固定標的実験ではルミノシティーでそれを十分補うことができます。 September 1, 2008

26 オープンチャーム生成 silicon detectors to identify second decay vertex
yield study 109 proton/sec beam 10% target 2×1033 cm-2sec-1 × 1 week = 103 pb-1 acceptance 0.05 – 0.3 to cover forward/mid-rapidity/backward pT D0 yield pT > 1.5 GeV/c 5.5×106 D0 for 103 pb-1 ビーム強度はシリコン検出器のradiation耐久度が問題になるので、10^9/secという強度と１０％ターゲットを仮定し、１週間の測定に対する評価をしました。 こちらが得られたp_T vs x_F分布で、p_T>1.5GeV/cを要求しても、5.5x10^6個というD_0中間子の収量が期待できます。 ここではトリガー条件を考えていないので、このうちdecay muonでトリガーできる数を考えます。 そしてさらにvertex reconstructionの割合を調べます。 1.5 GeV/c -1 xF 1 -1 xF 1 September 1, 2008

27 J-PARC dimuon実験 800-GeVビームでのFermilab実験のスペクトロメータがベース
長さを短く、apertureはできるだけ広く保つ 2台のbending-magnet、pT キック2.5-GeV/cと0.5-GeV/c 3-stationのMWPCとドリフトチェンバーによるtracking ミューオンＩＤとtracking tapered copper beam dump and Cu/C absorbers placed within the first magnet ミューオン検出のアクセプタンスとしては、Drell-Yan実験を考えているこの検出器の構成を用います。 September 1, 2008

28 オープンチャーム生成 10^5 open charm events are generated.
17k events have more than one muon. Trigger: P>2GeV, Angle < 6.5 deg. Analysis： #track from primary vertex>=2 152 events are fully reconstructed with Si VTX coverage. (45deg) 1 week of run, 91k open charm events fully reconstructed. Si (identifying Charmed Meson) + Muon (Trigger ) may work. But need to have detailed study. Target + Si detector to identify displace vertex Radiation damage Momentum reconstruction Combination of Pixel and strip Cost estimate Pile up Etc 10^5のオープンチャーム生成のうち17kイベントがトリガーされ、152イベントがreconstructionされるという結果が得られ、１週間のランに対して91kイベントのチャーム生成を得るという計算ですが、さきほどの1.5GeV/c p_T threshold の数に対してはこの値は大きすぎるので、p_T threshold はこれより低いのだと思います。 まあでも当面の評価は、シリコン検出器とミューオントリガーでオープンチャーム生成を測定することができるという評価で、ただし次の項目に対してさらにスタディーが必要です。 まずターゲットとシリコン検出器を組み合わせた評価、radiation damageの評価、運動量解析の可能性、ピクセル検出器とストリップ検出器の構成、コスト、イベントのパイルアップなどなど、です。 September 1, 2008

29 まとめ オープンチャーム生成断面積測定 スピン非対称度測定 J-PARC実験 大きいxBj領域におけるクォーク、グルーオン分布
J-PARCエネルギー領域でのthreshold resummation補正の必要性 Intrinsic charm? xBj > 0.1の領域での１％レベルでの存在可能性 スピン非対称度測定 ALL測定 グルーオンスピンの寄与？ AN測定 軌道角運動量の寄与？ J-PARC実験 まだstudyが必要であるが、今のところシリコン検出器＋ミューオントリガーという構成でfeasibleである 以上、まとめます。 September 1, 2008

30 Backup Slides… September 1, 2008

31 Slide by Marco Stratmann チャーモニウム生成 September 1, 2008

32 Slide by Marco Stratmann オープンチャームALL測定 September 1, 2008