特別推進研究申請 電磁プローブによるハイパー核の研究

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1 特別推進研究申請 電磁プローブによるハイパー核の研究
平成１２年５月１７日（水） 東北大学大学院理学研究科 橋本　治

2 原子核物理とストレンジネス核物理 ストレンジネス核物理 ハドロン多体系の構造 バリオン（重粒子）間相互作用
奇妙さ量子数を持つハドロン多体系 Λ、Σ、Ξ．．．ハイペロンを含む ハドロン多体系の構造 新しい励起相の出現 バリオン（重粒子）間相互作用 フレーバーＳＵ（３） Multi Strangeness Matterへ 中性子星のハイペロン混合層 ストレンジレット等

3 Λハイパー核と分光研究の意義 ハドロン多体系のユニークな構造を究明 ΛＮ間相互作用の究明 励起状態の崩壊幅が狭い 高精度分光実験が可能
芯核励起、糊的役割、深部構造、等 ΛＮ間相互作用の究明 中心力、スピンに依存する相互作用 バリオン間相互作用の統一的解明 励起状態の崩壊幅が狭い 高精度分光実験が可能 二つの有効な実験的アプローチ 反応スペクトロスコピー ガンマ線スペクトロスコピー

4 ハイパー原子核の励起状態と崩壊様式 g γ崩壊 n or p L p Narrow widths p < a few 100 keV
B L p Narrow widths Likar,Rosina,Povh 陽子放出 p < a few 100 keV Bando, Motoba, Yamamoto B p n 207 Tl L B n g 207 Pb L γ崩壊 208 Pb L 弱い相互作用による崩壊 中間子崩壊 非中間子崩壊

5 Λハイパー核分光のための主な反応 中性子 →Λ 陽子 →Λ コメント
中性子 →Λ 　　　　 陽子 →Λ 　　　　　　 コメント (p+,K+) (p-,K0) 　　stretched, high spin in-flight (K-,p-) in-flight (K-,p0) 　　substitutional stopped (K-,p-) stopped (K-,p0) 　　large yield (e,e’K0) (e,e’K+) 　　virtual (g,K) 　　spin flip, unnatural parity (p,pK0) (p,pK+) 　　virtual (p,K) (p,K+) (p,K0) 　　very large momentum transfer

6 (K-,p-),(p+,K+), (e,e’K+)反応の比較
12C(K-,p-)12C L 0+ q~100MeV/c  Dl=0  substitutional states DS=0  J=0+ FWHM 2MeV Relative Strength 1- 6 12 12C(p+,K+)12C L q~300MeV/c  Dl=1,2  stretched states DS=0  J=1-,2+ FWHM 2MeV 2+ 1- 6 12 12C(e,e’K+)12B L q~300MeV/c  Dl=1,2  stretched states DS=0,1  J=2-,3+ 1-+2- FWHM 0.6MeV 3++2+ 1- 2- 3+ 2+ 6 12 Ex(MeV)

7 電子線によるラムダハイパー核分光 ハイパー核分光の意義 ハイパー核分光は成り立つか 我々はハイパー核分光を確立した
なぜ電子線によるハイパー核分光か 何が必要か

8 電子線によるラムダハイパー核分光の特徴 高分解能 陽子をラムダ粒子に変換 スピン反転振幅が大きい 大強度、良質の電子ビーム（一次ビーム）
小さなビーム・エミッタンス 陽子をラムダ粒子に変換 中性数が多いラムダハイパー核 さらにEXOTICなハイパー核 荷電対称ハイパー核の研究 スピン反転振幅が大きい スピンに依存する相互作用を解明 ハイパー核構造の研究に有効

9 本申請 Lハイパー核研究 ストレンジネス核物理 ２１世紀のハイパー核研究 JHF, BNL... 2000.5 Σハイパー核 Ｓ＝ー２核
Ｋ原子 弱崩壊 ハイペロン散乱 Lハイパー核研究 KEKPSが世界の実験をリード 日本の理論家の大きな貢献 ★ （π、Ｋ）スペクトロスコピー ラムダハイパー核分光を確立 ＫＥＫ－ＰＳ　ＳＫＳで成功 (p+,K+)反応 １．５－ 2 MeV ・ハイパー核構造 ・ラムダ核子相互作用 ・核内ハイペロン弱相互作用 ★ ガンマ線スペクトロスコピー 特定領域「ストレンジネスを持つ原子核」で成功 ＳＫＳ＋Ｇｅ、ガンマ線放出状態に対して有効　　 超高分解能　　＜３ｋｅＶ ★ Λハイパー核弱崩壊幅の測定 ２１世紀のハイパー核研究 電子線、光子ビームによるハイパー核生成 中間子ビームによるハイパー核生成 東北大理・ジェファーソン研究所共同研究進行中 科研費国際学術等、平成１０年９月ＭＯＵ締結、 国際ワークショップ９９年１２月 JHF, BNL... 本申請 Ｇｅγ線スペクトロスコピー 超高分解能反応スペクトロスコピー 精密弱崩壊実験 S=-2ハイパー核 ハイペロン散乱 （１） 電磁相互作用によるΛハイパー核生成 　　　　　　　　　（ｅ，ｅ‘Ｋ＋）反応　 高分解能高効率Ｋ中間子スペクトロメータ 　　　　　　３００ｋｅＶ分解能ハイパ－核分光 （２） 実光子によるストレンジネス生成素過程の研究 中性Ｋ中間子測定に重点 （３） 新しいΛハイパー核弱崩壊過程の研究 2000.5

10 <2 MeV resolution spectrum at KEK 12 GeV PS
エネルギー分解能の重要性 3 MeV resolution spectrum at BNL AGS <2 MeV resolution spectrum at KEK 12 GeV PS Sub MeV A few 100 keV

11 A comparison of ｔhe (p+,K+) reaction and the (e,e’K+) reactions for the hypernuclear physics
SKS at KEK & HNSS at Jlab (p+,K+) (e,e’K+) (e,e’K+)/(p+,K+) SKS HNSS RATIO Cross sections to 12LCgr or 12LBgr x10-3 (mb/sr) (g,K+) Target thickness (g/cm2) Beam intensity (particle/sec) (virtual photon) K+ momentum (GeV/c) K+ solid angle ~ 60 % ~ 15 % coverage (%) (100 msr) (6 msr) K+ survival rate(%) ~ ~ (Flight path) (5 m) (8 m) Overall x 10-1~-2

12 軽いΛハイパー核のクラスター構造、荷電対称
4LH,4LHe 6LHe, 6LLi L 粒子 陽子または中性子 アルファ粒子 3LH,(3LHe) 7LHe, 7LLi, 7LBe 9LBe 肥山、上村 10LBe, 10LB, 13LC

13 ハイパー核生成反応、世界の実験施設 π、Ｋ中間子ビーム 陽子ビーム 原子核ビーム 電子及び光子ビーム KEK 12 GeV PS
BNL GeV AGS 陽子ビーム LEAR, SATUNE, COSY, ….. 原子核ビーム BEVALAC（閉鎖）, Dubna,AGS 電子及び光子ビーム INS-Tokyo ES GeV （１９９９閉鎖） JLAB GeV Spring GeV（光子のみ） Sendai GeV（光子のみ） MAINZ → 1.5 GeV(2003予定）

14 ＫＥＫ－ＰＳを主とするこれまでのΛハイパー核分光研究の実績をもとに ストレンジネス核物理をさらに発展させるために提案
研究計画の要点 ＫＥＫ－ＰＳを主とするこれまでのΛハイパー核分光研究の実績をもとに ストレンジネス核物理をさらに発展させるために提案 １．連続電子線ビーム　　　　　　　米国ジェファーソン国立研究所 (e,e’K+)反応により 軽いΛハイパー核の高分解能分光実験 ｐ殻より重いΛハイパー核の分光実験 重いΛハイパー核の弱崩壊過程の研究 最高分解能反応スペクトロスコピー ２．標識化光子ビーム　　　　　　　東北大学原子核理学研究施設 (g,K0)反応により 原子核をターゲットとする準自由Λハイペロン生成 重陽子をターゲットとするg+n→L+n反応の研究 電磁相互作用によるハイペロン生成素過程を究明

15 電子線による高分解能ラムダハイパー核分光
ジェファーソン研究所電子線加速器が世界唯一の実験施設 大強度高質連続電子線ビームを安定に供給 ２０００年３－５月に世界初の（ｅ，ｅ‘Ｋ＋）反応による１ＭｅＶ以下のハイパー核分光実験に日米共同チームで成功 分解能は既存のＫ中間子スペクトロメータによって制約されている Λハイパー核の検出効率もＫ中間子スペクトロメータの明るさが制約 分解能３００ｋｅＶかつ高効率のラムダハイパー核分光のために大立体角高分解能Ｋ中間子スペクトロメータが必須 ストレンジネス核物理研究に画期的な貢献 高分解能、中性子過剰Λハイパー核

16 提案するハイパー核スペクトロメータ１ K SOS Spectrometer K D 1m ENGE Spectrometer Q
1.4 GeV/c 1.2 GeV/c 1.0 GeV/c New QQD Spectrometer -4 1m Q D _ Side View Top View Target SOS Spectrometer Resolution 5 x 10 Solid angle 9 msr ENGE Spectrometer Resolution 2 x 10 (1.645 MeV/c) （ ） Solid angle 30 msr -4 TOF + K CHAMBER 1m Beam Dump Target Electron Beam 　　　　Focal Plane ( SSD + Hodoscope ) Splitter Magnet K + Q D _ D B E A M Q2 Q1 -4

17 提案するハイパー核スペクトロメータ２ Beam To Beam Dump New Kaon Spectrometer
Design performance of the kaon spectrometer configuration Q + Q + D ENGE Split-Pole Spectrometer maximum momentum 1.2 GeV/c dispersion 4.7 cm/% momentum resolution 2 10 -4 (FWHM) New Kaon Spectrometer solid angle 30 msr flight path length 8.2 m 1m angular acceptance 4.3 degrees Splitter magnet momentum acceptance 10 % Target maximum dipole field 1.6 T conductor normal Beam

18 標識化実光子によるハイペロン生成素過程の研究
これまでの研究 BONN SAPHIR 荷電Ｋ中間子測定を中心に電磁相互作用による 　　　　　　　　　　　　　　　　　ハイペロン生成素過程を研究 　　　　　　INS-ES 標識化光子による原子核（１２Ｃ）をターゲットとした 　　　　　　　　　　　　　　　　　12C(g,K+)準自由反応の研究 本研究 荷電が関与しないハイペロン生成過程の実験的研究 電磁相互作用によるストレンジネス生成過程を明らかにする上で 　重要な反応 ジェファーソン研究所における(e,e’K+)反応によるハイパー核生成過程 　を研究する上で必須 1.2 GeV　周回電子ビームからの標識化光子ビームを利用 Good Duty Factor 1999年 核理研グループ光子標識化に成功済

19 東北大学原子核理学施設に設置される中性Ｋ中間子スペクトロメータ
200MeV電子ビーム from LINAC 第２実験室 固体重水素標的 中性Ｋ中間子スペクトロメータ GeV Sweep Magnet ガンマ線 計測室へ ＰＭＴ用高圧電源 フロントエンド 　エレクトロニクス 5m ストレッチャーブースターリング (電子を1.2GeVに加速、保持) 1.2GeV光子発生装置

20 これまでの経過 1997-1998 科研費国際学術研究（橋本ーHungerford教授）
1997年8月　ＳｉΛハイパー核の分光実験提案採択（実験責任者：橋本） 1998年1月　国際ワークショップ（ＳＥＮＤＡＩ９８）開催（議長：橋本） Spectroscopy of Hypernuclei、８カ国８０名参加 1998年9月 東北大物理教室とＪＬＡＢとの間にMOU締結 1999年12月　Jlab sponsored workshop at Hampton Univ., VA （議長：橋本、ＴＡＮＧ教授） Strangeness nuclear physics with electromagnetic probes 　学振日米共同研究（田村-Tang教授） 2000 5月　　JLAB 所長Herman Grunder氏から橋本への手紙 ＪＬＡＢにおけるハイパー核プログラムを支援 1999年　 旧原子核研究所電子シンクロトロンよりＴＡＧＸスペクトロメータを 　　　　　　　 中性Ｋ中間子スペクトロメータとして東北大学理学部に移管、 　　　　　　　 東北大学原子核理学研究施設に設置

21 申請する研究の意義 １．高分解能、高効率スペクトロメータの導入により、電磁相互作用による
　　Λハイパー核分光研究が初めて広く適応できるようになる。 ２．その結果過去のΛハイパー核反応分光実験の分解能を大きく超えた質の 　　高いスペクトルが得られ、ハイパー核構造およびハイペロン核子間相互作用に 　　関する研究が画期的に進展する ３．特に、これまで研究することの出来なかった中性子数が多いハイパー核の生成が 　　可能となる。従来の実験で測定されている荷電対称なΛハイパー核との比較により 　　新しいハイパー核状態のあらたな研究の展開がはかられる。 ４．スピン反転振幅が大きくスピン反転非反転状態を同時に励起する電磁相互作用の 　　特長を生かしスピンに依存する相互作用を究明できる。 ５．中性子をターゲットとする中性Ｋ中間子測定実験により、 　　電磁相互作用によるハイペロン生成過程研究の鍵となるデータがえられる。 ６．我が国のストレンジネス核物理におけるこれまでの主導的役割をさらに発展させる 　　とともに、２１世紀のＪＨＦ、統合計画へ向けて国際共同研究が進展する。

22 電子線によるΛハイパー核分光の有効性 Relative Strength q~100MeV/c  Dl=0
12C(K-,p-)12C 0+ q~100MeV/c  Dl=0  substitutional states DS=0  J=0+ L Relative Strength FWHM 2MeV 1- 6 12 12C(p+,K+)12C q~300MeV/c  Dl=1,2  stretched states DS=0  J=1-,2+ L FWHM 2MeV 2+ 1- 2+ 6 12 12C(e,e’K+)12B L q~300MeV/c  Dl=1,2  stretched states DS=0,1  J=2-,3+ FWHM 0.6MeV 3++2+ 1-+2- 1- 2+ 2- 3+ 6 12 Ex(MeV)

23 固体重水素ターゲット設計製作（高橋、他）
実施年次計画 平成１２年度　　　　　　　　平成１３年度　　　　　　　　平成１４年度　　　　　　　　平成１５年度 スペクトロメータ設計 Ｑ、Ｄ磁石鉄心製作 （加藤、藤井） 架台製作 磁石部品組立 Ｑ，Ｄ磁石 コイル製作 28Si,51V(e,e’K+)実験 　　　３００ｋｅＶ （田村） ＴＯＦ検出器 ＳＳＤ検出器 テストベンチ ドリフトチェンバー ＳＳＤ読出 （橋本） 電子線による実験 （ジェファーソン研究所） 新スペクトロメータ組立 既存スペクトロメータによる１ＭｅＶ以下の分光実験 　　ｐ殻Λハイパー核、中重Λハイパー核分光　　　　　　　　600keV分解能 　　重いΛハイパー核の核分裂予備実験 新スペクトロメータ調整実験 　12C(e,e’K+)，7Li(e,e’K+)実験、 ３００ｋｅＶ目標 解析、発表 ハイパー核弱崩壊核分裂実験 磁気能率測定Ｒ＆Ｄ実験 実験は米国ジェファーソン研究所で行われる。 検出器調整、磁石部品製作は国内で行われる。 中性Ｋ中間子検出器整備 固体重水素ターゲット設計製作（高橋、他） 光子による実験 （東北大核理研） Ｄ（γ、Ｋ０）Λｎ予備実験 データ収集、解析 Ｄ（γ、Ｋ０）Λｐ本実験 データ収集、解析

24 固体重水素ターゲット設計製作（高橋、他）
実施年次計画２ 平成１２年度　　　　　平成１３年度　　　　　　平成１４年度　　　　　平成１５年度　　　　平成１６年度 スペクトロメータ設計 Ｑ，Ｄ磁石 コイル製作 架台製作 Ｑ、Ｄ磁石鉄心製作 磁石部品組立 （加藤、藤井） ＴＯＦ検出器 ＳＳＤ検出器 テストベンチ ドリフトチェンバー ＳＳＤ読出 （橋本） 28Si,51V(e,e’K+)実験 　　　３００ｋｅＶ 電子線による実験 （ジェファーソン研究所） （田村） 新スペクトロメータ組立 既存スペクトロメータによる１ＭｅＶ以下の分光実験 　　ｐ殻Λハイパー核、中重Λハイパー核分光　　　　　　　　600keV分解能 　　重いΛハイパー核の核分裂予備実験 新スペクトロメータ調整実験 　12C(e,e’K+)，7Li(e,e’K+)実験、 ３００ｋｅＶ目標 解析、発表 ハイパー核弱崩壊核分裂実験 磁気能率測定Ｒ＆Ｄ実験 実験は米国ジェファーソン研究所で行われる。 検出器調整、磁石部品製作は国内で行われる。 光子による実験 （東北大核理研） 中性Ｋ中間子検出器整備 固体重水素ターゲット設計製作（高橋、他） Ｄ（γ、Ｋ０）Λｎ予備実験 データ収集、解析 Ｄ（γ、Ｋ０）Λｐ本実験 データ収集、解析

25 精密ラムダハイパー核分光 反応スペクトロスコピー ガンマ線スペクトロスコピー 電子線によってsub-MeVさらに０．５ＭｅＶ以下へ
ＫＥＫーＰＳのＳＫＳ実験でラムダハイパー核分光を確立 分解能　1.5 ~ 2 MeV FWHM 反応スペクトロスコピー ガンマ線スペクトロスコピー Ｇｅ検出器 　　２ー３ｋｅＶ 核子束縛状態に対して有効 直接ハイパー核状態を励起 高い励起状態にも有効 電子線によってsub-MeVさらに０．５ＭｅＶ以下へ