鉄核媒質中の閾値近傍における 中性π中間子生成実験

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1 鉄核媒質中の閾値近傍における 中性π中間子生成実験
クォーク物理学研究室 坂田博和

2 研究目的 中性π中間子の閾値近傍(≒135MeV)における生成断面積測定 π0の生成閾値近傍における生成過程は完全に理解されていない。
核媒質中で生成されたπ0の質量測定 核媒質中のように周囲の密度が高い環境下でπ0を生成し，カイラル対称性の部分的回復による質量変化の観測。 Πゼロの質量は135MeVであり、ちょうどπゼロが生成できるエネルギー領域での生成断面積測定 中性π中間子(略して π0) 電荷: 0 質量 : 135 MeV/c2 寿命 : 8.7×10-17秒

3 測定原理 150MeV電子線を標的に入射しπ0を生成 e- + A → e- + A + π0
γ e- A π0 π0 γ 150MeV電子線を入射 π0 が生成 π0 が２γに崩壊 150MeV電子線を標的に入射しπ0を生成 e- + A → e- + A + π0 崩壊光子のエネルギーを測定し、π0イベントを検出 π0 は寿命8.7×10-17秒で約99%で2γへ崩壊 π0 はほぼ静止しているため、正反対方向へ約67.5MeVの2γを放出

4 背景 昨年度、広島大学VBL内にある超高速電子周回装置の150MeV電子引出しラインに於いてπ0生成実験を行った。
標的(黒鉛) 電磁カロリーメーター 1アーム 3×3配置 9本組み 電磁カロリーメーター 電子ビーム 昨年度、広島大学VBL内にある超高速電子周回装置の150MeV電子引出しラインに於いてπ0生成実験を行った。 結果、150MeV電子線と核子の間において 　　　　　　　σ(e-, N)=0.07±0.04μb が得られた。 課題 統計量不足 バックグラウンドイベントをシミュレーションより見積もり

5 本実験の改良点 3×3 9本組み4アーム 標的に 1×1×2cm の鉄 統計量 2倍 バックグラウンド測定 統計量 6倍
3×3　9本組み4アーム 統計量　2倍 バックグラウンド測定 標的に 1×1×2cm の鉄 統計量　6倍　 標的（黒鉛） 変更 標的（鉄） バックグラウンドの見積もり 約12倍の統計量

6 実験方法 鉄標的へ約1.3kHzの頻度で1.3×105秒間照射した コリメーターで8mmにビームを絞る
鉛ブロック 暗箱 8mmコリメーター シンチ2,3 ビーム出射口 シンチ1 シンチ4 電子ビーム 800mm コリメーターで8mmにビームを絞る 電子ビームがシンチ1,2,3を通過したことを要求 鉄標的へ約1.3kHzの頻度で1.3×105秒間照射した

7 データ検証 欲しいイベント π0 が生成したイベントは2アームのみヒット 二つのアームにだけヒット したイベントが解析対象
π0 生成イベント π0 バックグラウンドイベント π0 が生成したイベントは2アームのみヒット 二つのアームにだけヒット したイベントが解析対象 上と下、右と左 上と右、右と下、下と左、左と上 上 右 左 下 計６通り

8 上と下アームにだけヒットしたイベント 上アームと下アームのエネルギー分布とその相関図。 赤枠が、π0イベントと考えられるエネルギー範囲
[MeV] [MeV]

9 各組み合わせにおける、２アームの エネルギー相関 (フルスケール150MeV)
上(縦軸)：下(横軸) 上：右 右：下 右：左 下：左 左：上

10 イベント選択 シンチ 2, 3 シンチ 1 シンチ 4 飛行時間分布（シンチ３を基準） ビーム出射口 横軸：粒子の飛行時間 縦軸：イベント数
シンチ１ シンチ２ シンチ１ シンチ２ シンチ３ シンチ４ シンチ３ シンチ４

11 イベント選択 –２アームの反応時間差カット π0 イベントでは、 ２γが同時に２つのアームへ入射 ⇒ ２アームは同時に反応
イベント選択 　–２アームの反応時間差カット π0 イベントでは、 ２γが同時に２つのアームへ入射 　⇒　２アームは同時に反応 上と下アームにだけヒットしたイベント における、上と下アームの反応時間差

12 カット後の、各組み合わせにおける２アームの エネルギー相関 (フルスケール150MeV)
上(縦軸)：下(横軸) 上：右 右：下 右：左 下：左 左：上

13 π0 イベント数 組み合わせ イベント数 π0(like)イベント 上 と 下 522 1 右 と 左 1171 2 上 と 右 1197
上　と　下 522 1 右　と　左 1171 2 上　と　右 1197 右　と　下 2177 3 下　と　左 1473 13 左　と　上 811 1693イベント中 3イベント 5658イベント中 16イベント 以上より となりπ0は検出されなかったと考えられる

14 π0 生成断面積の上限値 （信頼性90%） 入射電子線のフラックス F = (1.329±0.139) ×103 cm-2s-1
標的中の核子数 　N = 9.44×1024 cm-2 検出効率 　eff = 3.55 % (シミュレーションより) 全測定時間 　t = ×105 s 検出された事象数が 0 の時、 　期待される事象数の真値は90%の信頼性で2.44以下 （信頼性90%）

15 結論 ４アーム電磁カロリーメーターにより、π0に対するバックグラウンドの見積もりが可能となった。
150MeV電子線と鉄標的の反応において、電子と核子の間におけるπ0の生成断面積の上限値0.043±0.004μb（信頼性90%）を得た。

16 終わり

17 π0 イベント数 以上より より、π0生成断面積 0.034±0.025μb 組み合わせ イベント数 π0(like)イベント 上 と 下
上　と　下 522 1 右　と　左 1171 2 上　と　右 1197 右　と　下 2177 3 下　と　左 1473 13 左　と　上 811 1171イベント中 2イベント 2008イベント中 0イベント 以上より より、π0生成断面積　0.034±0.025μb

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19 GEANT4シミュレーションにおいて、本実験セットアップで同じ測定条件(4
GEANT4シミュレーションにおいて、本実験セットアップで同じ測定条件(4.0MeVのトリガー閾値) を課した場合の、向かい合ったアーム全体に落とすエネルギー分布の相関

20 PWO PWO 短い放射長と Moliere半径 高細分化可能な 20cm 電磁カロリーメータ !! 組成式 : PbWO4 結晶 密度
[g/cm3] 放射長 [cm] Moliere 半径 [cm] 崩壊時間 [ns] 光量 [NaI比] PWO 8.28 0.89 2.2 5～15 0.01 BGO 7.13 1.12 2.4 300 0.15 NaI(Tl) 3.67 2.59 4.5 250 1.00 CsI(Tl) 4.53 1.85 3.8 565 0.40

21 各アーム全体のエネルギー分布 縦軸：イベント数 横軸：エネルギー(フルスケール200MeV) 上アーム 右アーム 下アーム 左アーム

22 本研究の目的 核媒質中のように周囲の密度が高い環境下で中性π中間子を生成し，カイラル対称性の部分的回復を議論
核媒質中で生成された中性π中間子の質量測定 150MeV電子線を黒鉛標的に入射 核媒質中で静止した中性π中間子を生成 崩壊光子のエネルギーを測り不変質量を得る． 150MeV電子線ではどの程度の中間子が生成されるか測定 A e- π0 + γ 150MeV電子線を入射 中性π中間子が生成される 中性π中間子が２γに崩壊 本研究では，カイラル対称性の部分的回復を見るため核媒質中で生成された 中性π中間子の質量測定を行った． そのために，１５０MeV 電子線を黒鉛標的に入射し，核媒質中にほぼ静止した 中性π中間子生成を試みた． ＊＊＊　150MeV　＊＊＊ Πの質量が135MeVであるためこの電子線ではほぼ静止したπ中間子が出来る． ((また，閾値に近いため質量が軽くなれば生成量にも影響が出る)) ＊＊＊　π０　＊＊＊ 中性π中間子を見る利点． 　　　2γ崩壊 　　　寿命が短い 測定は中性π中間子の崩壊光子のエネルギーを測定し質量を再構成する． また，この入射エネルギーでどの程度のπ０が出来るかも測定する．

23 セットアップ構成を決める 標的を決める π0からの2γの生成過程（予測） 上記の過程の断面積を予測できる範囲で物質ごとに調べる ～8/5
① 電子(150MeV)の制動放射より145MeV以上のγ生成 ② p + γ(>145MeV) → Δ+ ③ Δ+ → p + π0 ④π0　→ 2γ 上記の過程の断面積を予測できる範囲で物質ごとに調べる 制動放射をする断面積 制動放射によって145MeV以上のγを出す確率 145MeV以上のγが標的中で反応する確率 π0からの2γが標的より飛び出せる確率 　次ページより、これらを順に調べていく 断面積を考える際はdE/dxを考慮する。

24 セットアップ構成を決める ～標的を決める～
セットアップ構成を決める　～標的を決める～ 制動放射をする断面積 炭素において0.1～149.9MeVの制動放射をする断面積7.1×10-20cm2 より、入射してすぐ(1.3×10-4cm)で反応。 　※1～149MeVの制動放射をする全断面積でも4.9×10-20cm2 ⇒軽い炭素でも即座に制動放射するため、標的選びには考慮しない。 制動放射で145MeV以上のγが出る確率 物質によらずほぼ0.34%の確率で生成する。 条件　0.1～149.9MeVの制動放射を対象とする 　　　　標的に入射して一回目の制動放射だけを対象とする。　 ⇒物質の種類には殆どよらないため、標的選びには考慮しない ※ここでは、完全にスクリーニングされた場合の制動放射を考えている

25 セットアップ構成を決める ～標的を決める～
セットアップ構成を決める　～標的を決める～ 145MeV以上のγが標的中で反応する確率 標的中を2cm飛んで反応するγ(約150MeV)の割合を調べる 光の物質中を通過した後の強度は 　　　　　　　　　　　　 λ: absorption length(g/cm2) 　　　　　　　　　　　　 t : thickness (in mass/unit area) 　を使うことにより求めた 物質 密度 [g/cm3] thickness [g/cm2] absorption length for 150MeV [cm]※ 強度 [I / I0] 反応率 [1 - I / I0] C 2.27 4.54 65 0.93 0.07 Si 2.33 4.66 32 0.86 0.14 Fe 7.87 15.74 21 0.47 0.53 Sn 9.31 18.62 12 0.30 0.70 Pb 11.35 22.7 10 0.10 0.90 2cm 標的 ビーム x ※ここでの Absorption length は Particle data book に記載されているものを用いている

26 セットアップ構成を決める ～標的を決める～
セットアップ構成を決める　～標的を決める～ π0からの2γが標的より飛び出せる確率 標的の中心で反応が起こり、最短経路を通過した場合に2γが飛び出せる確率を、標的の大きさ x に対して調べる。ここでも同様に　　　　　　　　より計算した。 　2γが同時に飛び出せる確率は　　　　　　　　 となる。 2γが同時に標的を飛び出せる確率 x[cm] 2cm 標的 ビーム x

27 セットアップ構成を決める ～標的を決める～
セットアップ構成を決める　～標的を決める～ よって、Particle Data Book に Absorption length が載っていた 「C, Si, Fe, Sn, Pb」 の5つの物質に対して、 145MeV以上のγが標的中で反応する確率　 ×　π0からの2γが標的より飛び出せる確率 を調べた。（下図） x 2cm 標的 ビーム x スコア よって、REFERのビームの状態にもよるが、おそらく 　　　　　　　　　　最適な標的はSn or Feと考えられる！

28 各条件に対しての予想されるπ0イベント数 電子線のフラックス：1.5×103 cm-2 sec-1 平下実験より 物質
スコア スコア×反応領域 π0検出数 [個/28h] C 2 2×1 0.068 0.14 6 これをもとに、ビームはエリアによらず均一として、同じセットアップで標的を 変えた場合に予想されるπ0検出数を調べると 物質 ビーム軸方向の長さ[cm] 反応領域[cm2] スコア スコア×反応領域 π0生成数 [個/28h] C 2 1×1 0.068 3 2×2 0.066 0.26 11 Sn 0.5×0.5 0.54 0.14 6 0.41 18 0.25 1.0 43 Pb 0.32 14 0.11 0.44 19 予想される一週間(28h)でのπ0検出数 [個] x[cm]

29 各条件に対しての予想されるπ0イベント数 予想される一週間(28h)でのπ0検出数 (2arms detector)
[個] [個] x[cm] x[cm]

30 4アーム、特に中心のPMTのゲインを揃える！或いは、4アームのディスクリの閾値をゲインに比例させる。実際の実験では、π0のシグナルの大きさは、大きいと考えられるので、ディスクリの閾値は、ダックレートと同じくらいになるように高めに設定する。 標的の長さを2cmにお願いしに行く。 TDCのシグナルが変！