高運動量ビームラインと 核物質中でのハドロン質量の変化

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1 高運動量ビームラインと 核物質中でのハドロン質量の変化
小沢　恭一郎 KEK

2 J-PARCハドロン施設における事故 ご迷惑をおかけしています。
インフォーマル・ミーティング 　SC会場　22日 12:30~13:30 説明者：　鈴木厚人機構長 　　　　　　　　齊藤直人J-PARC副センター長 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

3 J-PARC　高運動量ビームライン 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

4 ハドロンとは？ ハドロンに対する理解 基礎的な観測事実 Nonperturbative region
クォークは、ハドロン内に閉じ込められている。 内部u, d, s クォークは、Higgs質量より重い。 しかし、Pseudo-scalar mesonは、軽い フレーバー　対称性　SUf（N）が存在　 ハドロンに対する理解 Perturbative region Current quark SUL(N) X SUR(N) Nonperturbative region Constituent quark SUV(N) 自発的対称性の破れ • 質量の生成 • NGボソンとしてのp, K, h の出現 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

5 ハドロン物理 理解したい物理過程 理解したい謎 カラーレス粒子であるハドロンの相互作用の起源 ハドロン内部の構成（スピン、励起状態、…）
ハドロン質量獲得の過程 理解したい謎 予想されているが見つからない共鳴状態 単純クォーク模型では、説明の出来ない状態の存在 Roper, Λ（1405）など 全く予想しない状態の発見 Belleにおける幅の狭い共鳴状態 カイラル対称性は L x R Pi, K, etaの扱いはNG bosonとしての特徴をしめせるといい。SSBの内訳として質量生成とNgbosonの出現がある、とするのがわかりやすい 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

6 実験でのアプローチ QCD媒質中でハドロン性質の測定 ハドロン内部の構造を反映する量の測定 基本的なハドロン相互作用の測定
高温媒質中、原子核中でのハドロン ハドロン性質の変化がQCD媒質の変化を反映 ハドロン内部の構造を反映する量の測定 スペクトロスコピー、構造関数 励起状態や偏極状態による情報の追加 基本的なハドロン相互作用の測定 散乱実験、束縛状態 一つの実験で得られる情報は限定的 大目標に対する位置づけは、個々に議論が必要 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

7 高運動量・高強度の必要性 QCD媒質中でハドロン性質の測定 ハドロン内部の構造を反映する量の測定 基本的なハドロン相互作用の測定
高運動量によるハドロン生成断面積の増加 高強度ビームを用いた高統計測定 ハドロン内部の構造を反映する量の測定 新たなフレーバー（チャーム）の導入 より広い運動学的領域における構造関数の測定 基本的なハドロン相互作用の測定 散乱実験、束縛状態 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

8 高運動量・高強度の実現 1次陽子ビームを実験に利用 同ビームラインを2次粒子に利用 高強度 高運動量の実現
２次生成粒子によるビームに比較して、1,000倍以上のビーム量を実現可能 同ビームラインを2次粒子に利用 高運動量の実現 高運動量を曲げるために必要な強い磁場と長い距離が得られる。 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

9 新高運動量ビームライン＠J-PARC Primary Proton Beam (30GeV), 1010-12 per spill
High Momentum un-separated secondary beam (20GeV/c), 107 per spill Primary Proton Beam (8GeV) for COMET 近未来のハドロンホール 高運動量ビームライン（建設予定） 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

10 核物質中でのハドロン質量 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

11 ハドロン質量スペクトラム カイラル対称性の自発的破れに伴う質量の獲得
Mass [GeV] カイラル対称性の自発的破れに伴う質量の獲得 π中間子が異常に軽い（Mp ~ 130 MeV/c2 ）ことは、対称性の自発的破れに伴う南部ゴールドストンボソンと理解 実際にカイラル対称性は破れている。 カイラルパートナーに質量差があることが知られている 構成子クォークの質量を獲得 NGボソンとしての擬スカラー中間子 （Jp=0-） 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

12 研究対象 π中間子と擬スカラー粒子 σ中間子 カイラルパートナーの質量差 QCD媒質内の反クォーク・クォーク凝縮量
自発的破れに伴う南部ゴールドストンボソン σ中間子 π中間子のカイラルパートナー σ場が質量を生み出し、その揺らぎがσ中間子となるという意味で、QCDにおけるヒッグス粒子 カイラルパートナーの質量差 r(JP = 1-) 770 MeV/c2 , a1(JP = 1+) 1250 MeV/c2　　　 QCD媒質内の反クォーク・クォーク凝縮量 “真空”の性質を表し、カイラル対称性の秩序変数として、質量の大きさと密接に関係 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

13 反クォーク・クォーク凝縮量 反クォーク・クォーク凝縮量と関係した測定量 ベクトル中間子や軸性ベクトル中間子の質量分布
Weinberg type sum rule たとえば、自由空間中で、t粒子の崩壊からの分布の測定がある。（ALEPH, Phys. Rep. 421(2005) 191） 自由空間以外での測定は、実験的に難しい Hatsuda, Koike and Lee, Nucl. Phys. B394 (1993) 221 Kapusta and Shuryak, Phys. Rev. D49 (1994) 4694 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

14 さらに、反クォーク・クォーク凝縮量 QCD sum ruleをベクトル中間子の質量分布に適用し、凝縮量と関係づけられると示唆 実験的には、
ベクトル中間子質量分布の測定は可能 原子核中や高温ハドロン物質中での測定も可能 内包する凝縮量の違いを反映する 質量獲得モデルや“QCD媒質”状態予想の検証 自由空間以外でのベクトル中間子の質量分布測定が基礎情報として重要 Hatsuda and Lee, Phys. Rev. C46 (1992) R34 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

15 KEK-PS E325実験へ 原子核密度に対する面白い予想の存在 実験的に検証可能 凝縮量と質量分布の関係と以下の仮定を基に予想
質量分布の形 凝縮量の変化の効果をポール位置の変化に集約 核子内の凝縮量の評価 凝縮量は、密度に線形に変化 原子核中で、18％（ρ, ω）と1.8%（φ）の質量変化を予測 実験的に検証可能 原子核中での崩壊により質量分布を測定 終状態相互作用を避けるために電子対崩壊を選択 バックグランドやρ-ω干渉に関する不定性を避けるため、φ中間子に対して測定 φ中間子の幅は狭い（ 4.3 MeV/c2 ）。質量変化が測定しやすい。 あらわなハドロン相互作用の効果は小さい。 e.g. Binding energy of fN is 1.8 MeV (Phys. Rev. C 63(2001) R) Hatsuda and Lee, Phys. Rev. C46 (1992) R34 Hatsuda and Kunihiro, Nucl. Phys. B387 (1992) 715 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

16 Electrons from f decays are detected.
KEK-PS E325実験の概要 12 GeV proton induced. p+A  f + X Electrons from f decays are detected. Target Carbon, Cupper 0.5% rad length KEK E325 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

17 Clear measurements of f meson at KEK-PS.
The only one measurement on medium modification of f meson. R. Muto et al., PRL 98(2007) Cu bg<1.25 (Slow) e+e- invariant mass Decays outside nucleus Decays inside nucleus meson has NO mass modification Blue line shows expected line shape including all experimental effects wo mass modification meson has mass modification Modification is shown as an Excess Indication of QCD-originated mass modification! 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

18 Target/Momentum dep. bg<1.25 (Slow) 1.25<bg<1.75
Two nuclear targets: Carbon & Copper Inside-decay increases in large nucleus Momentum bin Slowly moving f mesons have larger chance to decay inside nucleus Only one momentum bin shows a mass modification under the current statistics. To see clear mass modification and establish QCD-originated effects, significantly larger statistics are required. Same as previous slide Excess 2013/9/20 e+e- invariant mass JPSシンポ＠高知大学

19 KEK-PS E325で得られたもの 原子核中でのφ中間子の質量分布変化を示唆するデータ
得られた分布をφ中間子の質量ピーク位置の変化として解釈すると、3%の変化 初田-Lee予想とConsistentだが、偶然かもしれない。 核子内の<ss>凝縮量は、非常に小さいというLatticeの計算（H. Ohki et. al, Phys. Rev. D 78(2008) ） 密度に対する凝縮量の線形近似 中間子生成過程、 中間子崩壊点の密度の不定性 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

20 次に、何を目指すか？ KEK-PS E325の結果のConfirm 原子核密度における質量分布の確立 単なる質量分布を超えた測定
世界的にも、他にφ中間子の結果は得られていない。 原子核密度における質量分布の確立 凝縮量との関係に対する議論に耐えられるデータ 生成過程、密度分布などの不定性の小さいデータ 単なる質量分布を超えた測定 媒質中で質量に対応するものは、エネルギーと運動量の分散関係 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

21 J-PARCでの実験の目標 Pb 凝縮量の評価を可能にする高統計測定 Proton
A clear shifted peak needs to be identified to establish QCD-originated effects Momentum Dependence Pb E325 results Extrapolate Proton 凝縮量の評価を可能にする高統計測定 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

22 さらに、 p dep. Pb f f Modified f Dispersion relation f from Proton
[GeV/c2] f p dep. f from Proton Invariant mass in medium Dispersion relation 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

23 Experimental set up Construct a new beam line and new spectrometer
Cope with 1010 per spill beam intensity (x10) Extended acceptance (90 in vertical) (x5) Increase cross section (x2) Deliver 1010 per spill proton beam Primary proton (30GeV) beam New high momentum beam line 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

24 Detector components HBD (Hadron-Blind Cherenkov detector ) GEM Tracker
100x x x300 Key Technology: CsI evaporated GEM as a photo cathode Q.E. of 40% is achieved Position resolution of 100m is achieved Both detectors based on Gas Electron Multiplier (GEM) technology Recently, we succeed making a proto-type which meets our experimental requirements. Now, we are preparing a mass production of detectors. 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

25 まとめ ハドロン物理で新たな実験を遂行するために、1次陽子と高運動量2次粒子を用いる高運動量ビームラインが建設される予定である。
KEK-PS E325での、φ中間子質量分布の核内での変化を示唆する測定結果を受けて、核内反クォーク・クォーク凝縮量の議論に耐えられる高統計データ収集をJ-PARCで目指す。 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

26 バックアップ 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

27 Which is the best, r/w or f?
Dynamical mass contribution is dominant Mp ~ 130 MeV/c Mr ~ 770 MeV/c2 Large hadronic effects and background issues are large f Still, dynamical mass contribution is dominant Mh ~ 550 MeV/c Mf ~ 1020 MeV/c2 Narrow width ( 4.3 MeV/c2) Small background issue Small effects of hadron-hadron interactions e.g. Binding energy of fN is 1.8 MeV (Phys. Rev. C 63(2001) R) To see QCD-originated effects, f meson is the most promising probe. 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

28 Current status of experiments
Most measurements are done for r/w mesons High energy heavy ion collisions SPS-NA60 (PRL 96 (2006) ) Modification of r meson due to hadronic effects RHIC-PHENIX (PRC81(2010) ) Origin of the enhancement is under discussion Nuclear targets CBELSA/TAPS (Phys.Rev. C82 (2010) ) Modification of w is not observed J-LAB CLAS G7 (PRL 99 (2007) ) Mass broadening of r due to hadronic effects KEK-PS E325 (PRL 96 (2006) ) Peak shift and width broadening of r/w Large uncertainty in background subtraction method Several hadronic and experimental effects cause difficulties in r/w measurements. 2013/9/20 JPSシンポ＠高知大学

29 <ss> & f-meson mass
<ss>(r) (ss condensate in medium whose density is r ) is relevant the f mass in nuclear matter under the QCD sum rule analysis by Hatsuda & Lee (PRC46(92)R34 : HL92) linear approx. : <ss>(r)=<sbar s> (vac) + <N|ss|N> x r <N|ss|N> is evaluated using (old value of) y and p-N sigma term Recently <N|ss|N> (so called “ strange quark content of the nucleon”) is calculated with Lattice QCD found to be smaller than the assumed value in HL92, however, agree within the error fTs = ms/mN <N|ss|N> ms=80MeV arXiv: