J-PARC E15実験 A search for deeply bound kaonic nuclear states

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1 J-PARC E15実験 A search for deeply bound kaonic nuclear states
by in-flight 3He(K-,n) reaction 参加研究機関数 １５ 参加人数 ４７

2 はじめに J-PARC E15 実験 K中間子原子の 2p-１s 状態へのＸ線測定（ＫｐＸ, KEK-E228,1997) の教えていること
Ｋ中間子‐核子間に強い引力が働いているということ この実験事実を踏まえ、L(1405) をＫＮの強い束縛状態と仮定する K中間子原子核の存在を予言 （赤石ー山崎, 2002） K中間子原子核は 本当に存在するのか？ ２番目に単純な構造を持つ K中間子原子核、K-pp に注目 その存否に関し決着をつける J-PARC E15 実験

3 L 実験手法 K-pp neutron 3He K- p p- 3He(K-,n) 反応による K-pp 状態の直接生成 cluster
中性子測定における 質量欠損によるK-pp状態同定 崩壊 L p p- 終状態荷電のみの崩壊モード この反応では生成されたK-pp 束縛状態 は質量欠損測定および不変質量再構成 の両面から識別可能 不変質量 の再構成

4 本日の発表の概要 １）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性 ２）Ｅ１５実験 検出器についての概要説明および現在の進展状況 前方スペクトロメータ
２）Ｅ１５実験　検出器についての概要説明および現在の進展状況 前方スペクトロメータ ビームライン スペクトロメータ 崩壊粒子検出器群 ビーム 　　スイーパー 中性子カウンター 飛跡検出器等 K- Q D Q 標的 1-1）　ビームラインスペクトロメータ 1-2）　3He 標的 1-3）　前方スペクトロメータ 1-4）　崩壊粒子検出器群 1-5）　信号読み出し回路 ３）実験建設予算に関する事項 ４）実験実施体制

5 本日の発表の概要 １）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性 ２）Ｅ１５実験 検出器についての概要説明および現在の進展状況
２）Ｅ１５実験　検出器についての概要説明および現在の進展状況 ビームライン スペクトロメータ 標的 崩壊粒子検出器群 前方スペクトロメータ ビーム 　スイーパー 中性子カウンター K- 飛跡検出器等 Q D Q 1-1）　ビームラインスペクトロメータ 1-2）　3He 標的 1-3）　前方スペクトロメータ 1-4）　崩壊粒子検出器群 1-5）　信号読み出し回路 ３）実験建設予算に関する事項 ４）実験実施体制

6 Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性 1) （K- ,n） 素過程反応断面積 ２) Ｋ中間子ビーム強度の運動量依存性 反応断面積の観点から
1.0 GeVビーム付近のビームを使う　すなわち Ｋ１．８ＢＲ　ビームラインでの実験実施 K ビーム強度　Ｘ　反応断面積 K ビーム強度　Ｘ　反応断面積からの観点 K1.8BR最高ビーム運動量近辺での実験実施

7 Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性 （２） 3He(K-,n) 反応において中性子が受ける運動量移行 前方に放出される中性子運動量
Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性　（２） 3He(K-,n) 反応において中性子が受ける運動量移行 K-pp 状態　束縛エネルギーが１００MeVを仮定 入射　Ｋ中間子ビーム　 1.0 GeV/c 放出　中性子の運動量 　　　1.3 GeV/c ~300 MeV/c 前方に放出される中性子運動量 飛行時間差（Time-Of-Flight）で測定 飛行距離一定 運動量が低い（飛行時間が長い）方が分解能が良い 質量欠損分解能　飛行距離１２ｍ 　　 DMx (FWHM)= 28 Kbeam=1.0 GeV/c 　　 DMx (FWHM)= 38 Kbeam=1.1 GeV/c 反応レート　と　質量欠損分解能の双方を考慮し、ビーム運動量 1.0GeV/c を選択

8 本日の発表の概要 １）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性 ２）Ｅ１５実験 検出器についての概要説明および現在の進展状況
２）Ｅ１５実験　検出器についての概要説明および現在の進展状況 ビームライン スペクトロメータ 標的 崩壊粒子検出器群 前方スペクトロメータ ビーム 　スイーパー 中性子カウンター K- 飛跡検出器等 Q D Q 1-1）　ビームラインスペクトロメータ 1-2）　3He 標的 1-3）　前方スペクトロメータ 1-4）　崩壊粒子検出器群 1-5）　信号読み出し回路 ３）実験建設予算に関する事項 ４）実験実施体制

9 ビームラインスペクトロメータ 1. SQDQで構成されているビーム光学系
2. VI点と最下流の最終フォーカス(FF)点 でpoint to pointになるようにデザイン ビームラインに設置する検出器群 １．ビームライン飛跡検出器 ２．ビームホドスコープ（ＴＯＦカウンター） ３．粒子識別　Ａｅｒｏｇｅｌ　カウンター

10 ビームラインスペクトロメータ : 上流 ＫＥＫ－ＰＳ Ｅ４７１で製作、使用した Beam Line Chamber (BLC) BLC1
有効面積 16cm X 16 cm ワイヤー構成 X-X’ -Y-Y’ ４セット（計16 planes） アノードワイヤー数 32 wires / plane　（計512 wires） セルサイズ 5 mm cell ( 2.5mm drift lengh) BLC1 ＫＥＫ－ＰＳ　Ｅ４７１で製作、使用した Beam Line Chamber (BLC) BLC1 VI 点での ビームプロファイル BH1 (ビームホドスコープ） 新規製作、BLC1 の上流に設置 シンチレーター　2cm X 6cm X 0.5 cm 最大single rate ~400 kHz １０セグメント、有効面積　20 x 6 cm2

11 ビームラインスペクトロメータ : 下流 ＫＥＫ－ＰＳ Ｅ549で製作、使用した Proton Drift Chamber (PLC)
BLC2 有効面積 25cm X 25 cm ワイヤー構成 X-X’ -Y-Y’ ４セット（計16 planes） アノードワイヤー数 32 wires / plane　（計512 wires） セルサイズ 8 mm cell ( 4.0mm drift lengh) BLC2 ＫＥＫ－ＰＳ　Ｅ549で製作、使用した Proton Drift Chamber (PLC) 飛跡検出器を設置する FF－80 cm 点での ビームプロファイル BH2 (ビームホドスコープ） 新規製作、BLC2の下流に設置 シンチレーターサイズ　1.5cm X 6cm X 0.5 cm 最大single rate 450 kHz 5セグメント、有効面積　7.5 x 6 cm2

12 ヘリウム標的開発現状 平成１８年中 4Heガスを用いたテスト 到達温度、熱流入、ガス内部循環の調査
液体窒素タンク 4 Kポット(4 K) 1Kタンク(1.25 K) ヘリウム３熱交換器 ヘリウム３標的容器 平成１８年中 4Heガスを用いたテスト 　　 到達温度、熱流入、ガス内部循環の調査 平成１９年度夏 3He を使わないテストの終了 平成１９年度末 標的実機の完成 試作3He標的容器　

13 前方スペクトロメータ 中性子カウンター ： ０度方向（ビーム軸）に放出される 中性子の運動量を測定（飛行時間差測定）
中性子カウンター　：　 ０度方向（ビーム軸）に放出される 中性子の運動量を測定（飛行時間差測定） 検出器としてはKEK-PS E549 中性子カウンターを移設 E549 中性子カウンター 3.2 m ２０Ｘ５Ｘ１５０ｃｍ３　（幅Ｘ厚Ｘ長さ）の プラスチックシンチレーター　１１２本 構成 １６枚　Ｘ　７層構造 有効面積 3.2m X 1.5m　 光電子増倍管、ケーブル、読み出し回路まで 一式込みで移設し使用する。 1.5 m

14 中性子カウンター設置位置 現在のビームラインデザインで 実現可能最大飛行距離 ＦＦ点から１２ｍ
中性子カウンターで測定する 質量欠損分解能の飛行距離依存性

15 ビームスイーパー（二重極電磁石） ビーム粒子を０度方向に設置する 中性子カウンターアクセプタンスから 蹴り出すための電磁石
崩壊粒子検出器すぐ下流に設置 電磁石への印加磁場と 中性子カウンター表面での ビームプロファイルを確認 ビーム粒子の直接ヒットを 抑えるためには 0.7 Tm 以上の磁場強度が必要 KURAMA(0.8 Tm) K2 beam line 牛若 (1.05Tm) p2 beam line　 静 (0.86Tm) T3 beam line のいずれかを使用したい （間口の大きさからＫＵＲＡＭＡが第一候補）

16 Cylindrical Detector System (CDS)
崩壊粒子検出器群 Cylindrical Detector System (CDS) ソレノイド電磁石 CDH CDC Solenoid Magnet K- Cylindrical Drift Chamber (CDC) Cylindrical Detector Hodoscope (CDH)

17 ソレノイド電磁石 口径 1.2m, 最高磁場 0.7Ｔ 平成１９年３月納品 内部磁場マップ ソレノイド電磁石基本パラメータ
口径 Φ１２００ｍｍ 磁極長 １２００ｍｍ 磁場強度 ０．７Ｔ　（Ｍａｘ） 電流 １０００Ａ 電圧 ３５０Ｖ 直流抵抗 ０．３Ω 電力 ３５０ｋＷ 水路 ３４水路 重量 ２０トン

18 CDC ＣＤＣ構造 ＣＤＣ内径 １５０ｍｍ ＣＤＣ外径 ４８０ｍｍ セルの形状 六角形、ドリフト長 １ｃｍ ＣＤＣ内部 ワイヤー構成
六角形、ドリフト長　１ｃｍ CDC ＣＤＣ構造 ＣＤＣ内径　１５０ｍｍ ＣＤＣ外径　４８０ｍｍ 50ns等ドリフト時間等高線 ＣＤＣ内部　ワイヤー構成 Axial Super layer ( axial wire 3層） Stereo Super layer（stereo wire 2層　Ｕ） Stereo Super layer（stereo wire 2層　Ｖ） A U V A U V A の計１７層構成 読み出し回路 　　Amp-Discri 新規製作　 　　ＤＡＱ　　　　　ＴＫＯ　Ｄｒ．ＴＩＩ　（既存）

19 CDH CDCを囲むように設置するシンチレータカウンタ シンチレータ: BICRON BC408
光電子増倍管 ： Hamamatsu H8409 (ファインメッシュ型) セグメント数： ５０ 役割： １）　崩壊粒子トリガー ２）　ＴｏＦ　と　エネルギー損失を 　　用いた粒子識別 CDH CDC 信号の読み出し ＴＫＯ　システム (既存) Charge ADC と　ＴＤＣ

20 p- p- 典型的なイベント L GEANT4 を用いた検出器シミュレーション K-pp 束縛エネルギー １００ＭｅＶを仮定 Proton
neutron L p- p- Proton Proton

21 ＧＥＡＮＴ４を用いた検出器シミュレーションの結果
Λ K-pp state σ（MeV） σ（MeV） Λ　momentum (MeV/c) momentum (MeV/c) 終状態の荷電粒子が同一なK-pp状態 の崩壊モード K-pp ➾ Λp ➾ pπ-p K-pp ➾ S0p ➾ gΛp ➾ g pπ-p 崩壊幅　GK-pp= 60 MeV　を仮定　 Invariant mass of Λp (MeV) ∑ channel Λ channel

22 トリガー条件 １） Ｋ中間子ビームがターゲットに到達したことを保障するために “ビームホドスコープのヒット”
１）　Ｋ中間子ビームがターゲットに到達したことを保障するために “ビームホドスコープのヒット” “Ａｅｒｏｇｅｌ　Ｖｅｔo 信号” “Kaon decay Veto にヒットがない”　 　　　　　　“Beam Veto（標的後方のカウンター）”　 　　の４条件を用い保障 ２）　標的において反応が起こったことを保障するために “ＣＤＨ”のヒット多重度をトリガーに加える。 （最低２枚のカウンターにヒットが存在） 以上を要求し、データを収集する。 予想されるバックグラウンドからのトリガーレート　１００－１３０Ｈｚ

23 信号読み出し回路 飛跡検出器用フロントエンド回路
CDC 用、ビームラインカウンター用どちらも新規製作 ＫＥＫ 谷口氏　デザインの　“Amplifier Shaper Discriminator”　 をベースに製作 ＤＡＱ 中性子カウンター、ＣＤＣ、ＣＤＨ、ビームラインホドスコープ ＫＥＫ－ＰＳ　Ｅ５４９で使用したＴＫＯシステムを使った読み出し回路一式を移設 ビームライン飛跡検出器用 ＫＥＫ　オンライングループ開発の新システムＣＯＰＰＥＲを使用（新規製作） ビームラインスペクトロメータ 飛跡検出器 COPPER 1024 ch ホドスコープ TKO ch ＰＩＤカウンター TKO ch CDC TKO ch CDH TKO ch (ADC, TDC) 中性子カウンター TKO ch (ADC, TDC)

24 本日の発表の概要 １）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性 ２）Ｅ１５実験 検出器についての概要説明および現在の進展状況
２）Ｅ１５実験　検出器についての概要説明および現在の進展状況 ビームライン スペクトロメータ 標的 崩壊粒子検出器群 前方スペクトロメータ ビーム 　スイーパー 中性子カウンター K- 飛跡検出器等 Q D Q 1-1）　ビームラインスペクトロメータ 1-2）　3He 標的 1-3）　前方スペクトロメータ 1-4）　崩壊粒子検出器群 1-5）　信号読み出し回路 ３）実験建設予算に関する事項 ４）実験実施体制

25 実験建設予算 実験予算総額 195,000千円（特定領域研究、計画研究） 執行済み ＣＤＨ用 光電子増倍管 11,000千円
ＣＤＨ用　光電子増倍管 11,000千円 ソレノイド電磁石 42,000千円 平成１９年度 　ＣＤＣの建設 　ＣＤＣ－ビームライン飛跡検出器 　　フロントエンドボード製作 　ＣＤＨ用　光電子増倍管追加 　ＣＯＰＰＥＲ　システム（一部） 平成２０年度 　3Heガス 　ＣＤＨ製作 　ＣＯＰＰＥＲ　システム（残数） 検出器移設

26 本日の発表の概要 １）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性 ２）Ｅ１５実験 検出器についての概要説明および現在の進展状況
２）Ｅ１５実験　検出器についての概要説明および現在の進展状況 ビームライン スペクトロメータ 標的 崩壊粒子検出器群 前方スペクトロメータ ビーム 　スイーパー 中性子カウンター K- 飛跡検出器等 Q D Q 1-1）　ビームラインスペクトロメータ 1-2）　3He 標的 1-3）　前方スペクトロメータ 1-4）　崩壊粒子検出器群 1-5）　信号読み出し回路 ３）実験建設予算に関する事項 ４）実験実施体制

27 実験実施体制 測定器建設に関する参加機関別の責任分担 CDS 建設 CDC設計－建設 理研－ＫＥＫ－阪大 －大阪電通大
実験責任者： 岩崎 雅彦（理研）、永江 知文（ＫＥＫ） 　 測定器建設： 味村 周平（大阪大）、飯尾 雅実（理研）、石元　茂（ＫＥＫ）、板橋 健太（理研）、 應田 治彦（理研）、大西 宏明（理研）、岡田 信二（理研）、阪口 篤志（大阪大）、 佐久間 史典（理研）、佐藤 将春（理研）、鈴木 隆敏（理研）、関本 美知子（ＫＥＫ）、 友野 大　（理研）、福田 共和（大阪電通大）、藤岡 宏之（東大）、 溝井 浩（大阪電通大）、 H.C.Bhang(Seoul Univ.), S. Choi(Seoul Univ), C. Curceau(LNF-INFN), C. Guaraldo(LNF-INFN), M. Iliescu(LNF-INFN), P. Kienle (SMI, Austria), D. Sirghi(LNF-IFNF), F.Sirghi(LNF-INFN), D. Pietreanu(LNF-INFN) 測定器建設に関する参加機関別の責任分担 CDS 建設 CDC設計－建設 理研－ＫＥＫ－阪大 　　　　　　　　－大阪電通大 CDH設計－建設 理研－ＫＥＫ ソレノイド電磁石 理研 ビームラインスペクトロメータ用検出器および 　　中性子カウンター 理研 3He 標的 理研－ＫＥＫ DAQ 理研

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31 Garfield を用いたフィールド計算 Garfield を用い計算した 等ポテンシャル面 Y [cm] Y [cm] X [cm]
　　　　等ポテンシャル面　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Y [cm] X [cm] X [cm]

32 ＣＤＨ ＣＤＣの周りを囲むシンチレーターカウンター セグメント ６０ を両読み ＰＭＴ ファインメッシュ型 ５０本すでに購入
セグメント　６０　を両読み ＰＭＴ　ファインメッシュ型　　５０本すでに購入 読み出し回路　ＴＫＯ（？）　

33 What we want to do ? Back to the original question
Structure inside L(1405) multiquarks state? Double pole resonance ? bound state of K-p ? If we assume L(1405) to be a K-p bound state Second simplest bound state, K-pp, will also exist ( natural extension) Existence of K-pp bund state Will open new door to the physics of K-cluster

34 中性子カウンターにヒットを作るイベント における p および L からの p p- の運動量分布
3He(K-,n)K-pp →L p →　p p- p 中性子カウンターにヒットを作るイベント　における p および　L からの　p p- の運動量分布 Momentum of Proton from L Momentum of pion from L Momentum of Proton

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36 Assumptions 入射Ｋ　運動量分解能 Dp/p = 0.02％ 中性子カウンター時間分解能 ２００ｐｓ ＣＤＣ　位置分解能 ｘ－ｙ方向 ２５０mm z方向 ２ｍｍ K-pp の崩壊比、w/Lambda 対 w/Sigma を１：１で生成 Initial state での不変質量　 Ｍ12 final state での不変質量　 Ｍ34 3He K-pp K- n Mass difference |DM| < 52 MeV

37 DM で選んだK-pp にかんする残っているであろう　S の寄与のチェック

38 ビームラインスペクトロメータ 1. SQDQで構成されているビーム光学系
2. VI点と最下流の最終フォーカス(FF)点 でpoint to pointになるようにデザイン ビームラインに設置する検出器群 １．ビームライン飛跡検出器 ２．ビームホドスコープ（ＴＯＦカウンター） ３．粒子識別　Ａｅｒｏｇｅｌ　カウンター 実験で使用するＫ中間子ビーム運動量　 1.0 GeV/c、実際に飛跡検出器を置く位置 ＶＩ点および　ＦＦ点の６０ｃｍ上流 での ビームの拡がり