J-PARCにおける ストレンジネス核物理

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1 J-PARCにおける ストレンジネス核物理
谷田　聖（京都大学） 2008年6月25日　セミナー＠筑波大学

2 ストレンジネスを持つ原子核 u c t d s b 原子核： 核子（陽子と中性子）の多体系
クォークのレベルで見ると、アップ（u）とダウン(d) → p(uud), n(udd) クォークは実は6種類ある ストレンジネスを持った粒子 ＝ハイペロン L=(uds), S+(uus), X0=(uss),... （注：s クォークはストレンジネス 　　　－１を持つ） より広い原子核の世界へ u c t d s b

3 記法 A: バリオン数（核子とハイペロン全部） Z: 全電荷（陽子数ではない！） L: ハイペロン（L, S, Xなど） 例：
　例： 1. 3p + 3n + 1L  7LLi 2. 2p + 2n + 2L  6LLHe 3. 1p + 2n + 1X0 2p + 1n + 1X- 普通ハイパー核と呼ばれる  4XH （区別できない）

4 ハイパー核Chart まだまだ未踏の世界

5 どんな物理？ 新しい相互作用が現れる ハイペロンの原子核中での性質は？ 逆に原子核はどうなる？不純物効果？ 核力の拡張 [SU(3)対称性]
核力も含めて、バリオン間に働く力を統一的に理解し、その起源に迫りたい 伝統的な中間子交換模型で十分か？クォーク・グルーオンの自由度が現れるのでは？ ハイペロンの原子核中での性質は？ ハイペロンは混ざりやすい → よりダイナミックなシステムへ 逆に原子核はどうなる？不純物効果？ Lが入った原子核が縮む効果は実験的に検証されている 集団運動に変化？より高密度化？

6 J-PARCとは？ J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex
50 GeVの陽子加速器を中心とした大強度加速器群 50 GeV×15 mA ＝ 750 kW KEK-PSの100倍、BNL-AGSの10倍の強度のビームを供給 世界で最も強力なK中間子のビームが得られる → 他の施設の追随を許さない研究が可能 現在茨城県東海村において建設中 2008年末には最初の50 GeV陽子ビームが出てくる予定 2009年からストレンジネス核物理の実験を行う予定

7 Tokai Site of JAEA

8 Feb. 2008

9 Feb. 2008

10 June, 2007

11 June, 2007

12

13 J-PARCでのプロジェクト一覧 物性・生命（中性子・μ） 核変換 原子核物理 素粒子物理 ストレンジネス核物理
ハドロン分光  新しいハドロンの探索 陽子構造 高密度原子核物質 不安定核 素粒子物理 ニュートリノ振動 K中間子崩壊 μ稀崩壊

14 24の実験提案のうち、9つがストレンジネス核物理
すべてScientific approval, 7つがフル採択、4つはDay-1 その他にPentaquark Θ＋探索実験（E19）がDay-1

15 S＝－２の世界 初めてhyperon-hyperon 相互作用が現れる 非常にdynamicな システムなのでは？
ここがわからないとmulti strangeness系に行けない。 非常にdynamicな システムなのでは？ Large baryon mixing? 質量差に反比例 XN-LL-SSが混ざった状態 としてのHダイバリオン？ ほとんどわかっていない  J-PARCでの中心課題

16 B8B8 systems classified in the SU3 states with (l, m)
(03) 　　　[(11)s+3(22)] 　　　[3(11)s‐（22）]　 (22) XL XS(1/2) XS(3/2) ‐3 ― (11)a [‐(11)a+(30)+(03)] [(30)‐(03)] [2(11)a+(30)+(03)] (11)s (22) (00) (11)s‐ (22) (00) (11)s+ 　(22) ｰ (11)s (22) (11)s－ 　　 (22)－ (00) LL XN(0) XN(1) SL SS(0) SS(1) SS(2) (30) XX(0) XX(1) [‐(11)a+(03)] [(11)a+(03)] 　　　[3(11)s‐(22)]　 LN SN(1/2) SN(3/2) ‐1 NN(0) NN(1) 3E, 1O (P=unsymmetric) 1E, 3O (P=symmetric) B8B8(I) S ‐2 ‐4

17 Ｈ-particle ( H-dibaryon )
flavor-singlet (00) state ( ストレンジネス－２, アイソスピン 0 すなわち ΛΛ-ΞＮ-ΣΣ系の 1S0-state ) におけるカラー磁気相互作用の振る舞い 　　短距離斥力は現れず、代わりにかなり強い短距離引力になる！ u u s s d d コンパクトな６クォーク系の 新粒子が存在するのでは？ ↓ ３０年来，世界中の実験家が探索実験に奔走！ →　・・・未だ発見されず。 ΛΛ系のすぐ上にある共鳴状態？ ⇒　依然としてストレンジネス－２の系における課題 u s s d d u

18 採択された実験 S=－2では3つの実験が採択された
E03： Measurement of X rays from X- atom Spokesperson – K. Tanida (Kyoto) E05: Spectroscopic study of X-hypernucleus, 12XBe, via the 12C(K-,K+) reaction (Day 1 – 1st priority) Spokesperson – T. Nagae (Kyoto) E07: Systematic study of double strangeness system with an emulsion-counter hybrid method Spokespersons – K. Imai (Kyoto) K. Nakazawa (Gifu) H. Tamura (Tohoku) E03 E05 E07 S=－2では3つの実験が採択された

19 E05 X核分光 Missing mass spectroscopy of 12C(K-,K+)X  12XBe, 12LLBe
1.8 GeV/c K- ビーム 大強度 1.2x106 K- /spill (Phase-1) 高純度 K-/p- ~6.9 Proton beam 30GeV-9mA

20 X 系の重要性 XN （有効）相互作用 質量依存性はどうか？ 中性子星への影響 例： XN  LL はどれだけ強いか？
H dibaryonの存在と関連 LL-hypernucleiにおいて、どれだけXNは混ざるか？ One meson exchange 模型では交換相互作用が禁止 質量依存性はどうか？ 中性子星への影響 X- は負の電荷を持つので、中性子星では早く現れるかも XA 相互作用、特にその質量依存性が大事 S- が重要であると考えられてきたが、核内で強い斥力を受けることがわかってきた。

21 XN相互作用モデルと XA光学ポテンシャル
One boson exchange (NHC-D, Ehime) odd state に引力  強いA依存性 ESC04d* 3S1（T=0）に強い引力

22 SksPlus Spectrometer 高分解能： DE~ 3 MeV PK+ ~1.3 GeV/c 95°total bend
~30msr 2.7T(395A) ~1.5T Dp/p=0.12% 95°total bend ~7m flight path Dx=0.3 mm (RMS) 高分解能：　DE~ 3 MeV

23 12C(K-,K+)12XBe spectra calculated by W.S. potential
VX0 [MeV] states -24 -20 -16 -12 s-state [nb/sr] 0p3/2g 0s1/2 1- 215 168 123 81 p-states 0p3/2g0p3/2 0p3/2g0p1/2 sum 0+ 2+ 29 164 152 345 20 103 93 216 - DEdet=0 MeV K.Ikeda, et al, Prog. Theor. Phys. 91 (1994) 747 ; Y.Yamamoto, et al, Prog. Theor. Phys. Suppl. 117 (1994) 281 P.Khaustov, et al. Phys. Rev. C61(2000)054603

24 Expected 12XBe Spectrum 光学ポテンシャル の決定 DE = 3 MeVFWHM VX= -20MeV p X
ビームタイム 1ヶ月 [counts/0.5MeV] s X 光学ポテンシャル の決定 This is the expected spectrum by assuming one month date-taking and the experimental reslution of 3 MeV. VX= -14MeV -BX [MeV]

25 E03 X原子のX線測定 X-atom のX線を測る世界初の実験 Fe(K-,K+) 反応による X- 生成 → 静止 X- → X線測定
X-A の Optical Potential の直接測定 Fe(K-,K+) 反応による X- 生成 → 静止 X- → X線測定 方法の確立を目指す 数多くのX線測定で、 XA相互作用の解明へ ダブルL核のg線分光にもつなげていきたい K- K+ X- X ray Fe target

26 実験の原理 原子 – 波動関数を精確に計算可能 1次摂動
Optical Potential の形を仮定 すれば、1つの測定でその強さ は決定可能。 数多くのデータがあれば、形も 決定できる。 1次摂動が良い近似でない場合 でもこれは成り立つ 直接測定できる（ただし主に周辺部にのみ敏感）  X 原子核のSpectroscopy p-, K-,`p, S- に対して実績ある、強力な手法

27 X ray energy shift – real part Width, yield – imaginary part
l=n-1 (circular state) X l=n-2 l=n-3 ... Energy (arbitrary scale) ... Z nuclear absorption ... X ... Z l (orbital angular momentum) X ray energy shift – real part Width, yield – imaginary part

28 ターゲットの選択 Physics view: Batty et al. PRC59(1999)295
あるX線に対して、最適なターゲットが存在する 始状態での吸収は十分弱い X線のエネルギーシフトと幅が最大 (~1 keV) n=3,4,7,9のそれぞれに対して、9F, 17Cl, 53I, 82Pbを提案 最適なターゲット： Optical Potentialによって決まる  最初の実験の前にはわからない n:43 54 65 76 87 98 109 F(Z=9) Cl(17) Co(27)? Y(39)? I(53) Ho(67)? Pb(82) 131 (keV) 223 314? 394? 475 518? 558 n:43 54 65 76 87 98 109 F(Z=9) Cl(17) ? I(53) Pb(82) 131 (keV) 223 475 558

29 最初の実験では・・・ 実験的な理由で決める  鉄を選択  小さなZ（A)、でも高密度が必要
生成率: A-0.62 （断面積がA0.38でスケール） Xの静止確率: 高密度（r~10 g/cm3）のターゲットが必要 (X- range: g/cm2, bgct ~ 2cm) ターゲットによるX線の吸収: significant at large Z  小さなZ（A)、でも高密度が必要 小池さんによる計算： 鉄の n=6  5 遷移 Woods-Saxon potential: i MeV Energy shift: 4.4 keV, width: 3.9 keV 静止 X- あたりの収量： 0.1 (核による吸収がなければ~0.4)

30 実験のセットアップ K1.8 beamline of J-PARC

31 (K-,K+)反応の測定 K- K+ KEK-PS K2ビームラインで使われてきたもの Large acceptance (~0.2 sr)
1.8 GeV/c 1.4x106/spill (4s) KEK-PS K2ビームラインで使われてきたもの Large acceptance (~0.2 sr)

32 X線測定： Hyperball-J ゲルマニウム検出器~40台 PWO anti-Compton ピーク効率 高レート耐性
16% at 284 keV 高レート耐性 < 50% deadtime キャリブレーション In-beam, frequent 精度 ~ 0.05 keV エネルギー分解能 ~2 keV (FWHM)

33 エネルギーシフト: ~0.05 keV (systematic dominant)
予想X線スペクトル（1） n= 65 shift & width 4 keV エネルギーシフト: ~0.05 keV (systematic dominant)  予想されるシフトに対して十分

34 予想X線スペクトル（2） n= 65 shift & width 0 keV 幅: ~ 1 keVくらいまでは直接測れる。

35 E07　Hybrid Emulsion実験 ~10000個のX-を原子核乾板中に静止 100個のLL核の検出  LL相互作用

36 LL核の生成 Xp  LL が運良く 核内に残る（~10％）

37 エマルジョン中のイベントの例 各軌跡の長さ・太さ 各バーテックスで何ができたかを推定
粒子の種類・エネルギー 各バーテックスで何ができたかを推定 ハイパー核の束縛エネルギーを出す。 DBLL = BLL - 2BL がLL相互作用による分 →　弱い引力？

38 LL束縛エネルギーのsystematics
DBLLは原子核によって違うかも知れない 例えば Hyperon mixing によって変わり得る 5LLHe 6LLHe p n L p n L p n X p n X Suppress される Enhance される

39 S＝－１の実験 E10: Production of neutron-rich Lambda-hypernuclei with the double charge exchange reaction Spokespersons – A. Sakaguchi (Osaka), T. Fukuda (Osaka E. -C.) E13： Gamma-ray spectroscopy of light hypernuclei Spokesperson – H. Tamura (Tohoku) E15： A search for deeply-bound kaonic nuclear states by in-flight 3He(K-,n) reaction Spokespersons – M. Iwasaki (RIKEN), T. Nagae (Kyoto) E17: Precision spectroscopy of kaonic 3He 3d2p X-rays Spokesperson – R. S. Hayano (Tokyo), H. Outa (RIKEN) E18: Coincidence measurement of the weak decay of 12LC and the three-body weak interaction process Spokespersons: H. C. Bhang (Seoul), H. Outa (RIKEN), H. Park (KRISS) E22: Exclusive study on the LN weak interaction in A=4 L-Hypernuclei Spokespersons: S. Ajimura (Osaka), A. Sakaguchi (Osaka)

40 S＝＋１の実験 Pentaquark Θ＋は S=+1を持つ もし本当に存在するならば、S=+1での核物理ができる可能性 ? S=+1

41 Θハイパー核 ハイペロンの相互作用をさらに拡大して、ΘN相互作用を。 Θとは何か、に対するヒントにもなる。 まあ、あるなら作ってみたい。
例えば、[D. Cabrera et al., nucl-th/ ]によると、 Θ-KNのみを考慮したSelf-energy計算（早い話がK交換） では、弱すぎて束縛しない。 Θ-KπNを考慮すると、強い引力（～100 MeV）が得られる。 （N(1710)がNππに強くcoupleすることを考慮） 他にもいろいろなシナリオがあり得る。 まあ、あるなら作ってみたい。

42 （K+,p）反応 素過程： d(K+,p)Θ 運動量移行： 前方ではほぼ0にできる。 高分解能測定が可能

43 d（K+,p）Θ反応 on-shell 近似 一方で、0.1-0.5 mbという見積もりもある[nucl-th/0705.3965]
初段は pK+  pK+, nK+  pK0 の2種類 断面積 ∝ （quasi-free 反応の断面積） 　　×（フェルミ運動によって共鳴条件が満たされる確率） 一方で、 mbという見積もりもある[nucl-th/ ] K+ の原子核ターゲットによる吸収のデータをextrapolate Θが KpN とカップルすることによって生じるΘNKNNという効果によるものと考えることができる。 原子核ターゲットでは、より顕著な効果 n Θ K p

44 on-shell 近似での計算例 ds/dW×2π（mb/sr） Γ=1 MeVだと、 ～1 mb/sr（重心系） cosθ（CM系）
永廣さんによる ds/dW×2π（mb/sr） Γ=1 MeVだと、 ～1 mb/sr（重心系） cosθ（CM系）

45 実験セットアップ 前方スペクトロメータ＋横方向カウンター 横方向の粒子に対しては、運動量分解能は不要、
ただし、低エネルギー陽子を捕まえる工夫が必要。 to SKS+

46 原子核ターゲットでは？ 核子による散乱、別の核子による吸収の両方とも増加
s-shell核（4He）ならrecoillessで効率よく生成可能  dターゲットの場合と同じくらいの統計が得られる？ Fermi運動が大きくなるので注意が必要。 重い核は難しいかも。 バックグラウンド増加 崩壊後のp/K0が抜けて来なくなる。 ただし、ΘNKNNが効くような場合は断面積が増加。 ハイパー核の状態幅は？ パウリ効果、phase spaceの減少によってfree-spaceよりも 細くなるはず。 逆に太くなったりすると面白い（ΘNKNNの効果？）

47 まとめ 現在建設中のJ-PARCにおいて、ストレンジネス核物理はメインの研究テーマ
９つの実験が提案・採択済み 5つのDay-1実験 さらに多くのアイデアが考えられている 世界最強のKビームを活かして、S=－２から＋１まで幅広い実験が考えられている。 実験は2008年度末ごろから開始予定 今後もJ-PARCにおける発展が期待できる