幅広い質量数領域における新たな Λ ハイパー核分光実験 (jlab e05-115) 用...

06/9/22JPS秋季大会@奈良女 1

幅広い質量数領域における新たなΛ ハイパー核分光実験 (JLAB E05-115) 用散乱電子スペクトロメータ HES の設計

藤井　優東北大学・理・物理

E01-011 Collaborators 集合写真

JLab 鳥瞰図 @ 米国バージニア州


JLab E05– 115 collaborators in proposal ~ 19 機関から 87人Dept. of Phys. Tohoku Univ.

Y. Fujii, O. Hashimoto, H. Kanda, M. Kaneta, D. Kawama, K. Maeda, N. Maruyama, A. Matsumura,

S.N. Nakamura, K. Nonaka, Y. Okayasu, M. Sumihama, H. Tamura, K. Tsukada, Y. Miyagi

Dept. of Phys. Hampton Univ.

O.K. Baker, L. Cole, M. Christy, P. Gueye, C. Jayalath, C. Keppel, S. Malace, E.K. Segbefia, L. Tang, V. Tvaskis, L. Yuan

Dept. of Phys. Florida International Univ.

A. Acha, W. Boeglin, L. Kramer, P. Markowitz, N. Perez, B. Raue, J. Reinhold, R. Rivera

Dept. of Phys. Yamagata Univ.

S. Kato

Institute of Particle and Nuclear Physics High Energy Accel. Res. Org. (KEK)

H. Noumi, Y. Sato, T. Takahashi

Laboratory of Phys. Osaka Electro-Comm. Univ.

T. Motoba

Dept. of Phys. Univ. of Houston

Ed. V. Hungerford, K.J. Lan, Y. Li, N. Elhayari, S. Randeniya, N. Klantrains

Thomas Jefferson National Accel. Facility

P. Bosted, R. Carlini, V. Dharmawardane, R. Ent, H. Fenker, D. Gaskell, M. Jones, D. Mack, J. Roche, G. Smith, W. Vulcan, S. Wood, C. Yan

Yerevan Physics Institute

R. Asaturyan, H. Mkrtchyan, A. Margaryan, S. Stepanyan, V. Tadevosyan

Nuclear Physics InstituteLanzhou Univ.

X. Chen, B. Hu, S. Hu, Y. Song, W. Luo, B. Wang

Dept. of Physics / Applied Phys. Univ. of Zagreb

D. Androic, M. Furic, T. Petkovic, M. Planinic, T. Seva

Dept. of Phys. North Carolina A&T State Univ.

A. Ahmidouch, S. Danagoulian, A. Gasparian

Dept. of Phys. Louisiana Tech Univ.

N. Simicevic, S. Wells

Dept. of Phys. James Madison Univ.

G. Niculescu, M.-I. Niculescu

Dept. of Phys. Univ. of North Carolina at Wilmington

L. Gan

Dept. of Phys. Duke Univ.

M.W. Ahmed

Dept. of Phys. Univ. of Maryland

F. Benmokhtar, T. Horn

Dept. of Phys. Southern Univ. at New Orleans

M. Elaasar

Phys. and Astro. Dept. California State Univ.

Ed F. Gibson


JLab E05-115 実験の目的

高分解能 (<400 keV FWHM)　　　かつ

高統計 (e.g. 11/(100nb/sr)/h for 51V)

(e,e’K+) 反応を用いたラムダハイパー核スペクトロスコピー

28Si ,51V, 89Y ( および CH2, C) 標的を用いた、

のハイパー核励起エネルギースペクトルから、

ラムダハイパー核の微細構造 ~ core excited states N スピン依存相互作用からくる準位分離の直接観測などを探る


(e,e’K+) 反応を用いた Λ ハイパー核分光実験の発展at JLAB Hall-C

第１世代 ( 世界初 ) E89-009(2000 年 ) PRC73, 044607 (2006)　　電子線を用いた Λ ハイパー核分光が可能であることを示した　　 Data for 12

B, 7He

　　エネルギー分解能 750 keV(FWHM), 収量 0.8/h for 12B g.s, S/N=

0.6

第 2 世代 E01-011(2005 年 ) 23aSD4 岡安　　 High resolution Kaon Spectrometer (HKS) と“ Tilt Method” 導入　　 (HKS)msr, p/p(HKS)=2×10-4 (FWHM) Data for 12

B, 6,7He, 9

Li, and 28Al

第 3 世代 E05-115(2008 年予定 ) 本報告

他の実験JLAB Hall-A E94-107(2004-5 年 ) Data for 12

B, 9Li, and 16

N900 keV(FWHM) achieved, to be published soon

12C(e,e’K+)12B

E89-009 final

12C(e,e’K)12B12C(e,e’K)12B

Private communication


1.2GeV/c K+

0.3 GeV/c e’

E01-011 での実験配置とkinematics

K arm : 1 deg to 13 deg horizontale’ arm : 7.7 deg vertical

ハイパー核生成を捉えるためにはK および e’ 双方とも最前方で捕らえる必要あり

Splitter + K arm + e’ arm2m

1.8GeV Electron beam

HKSHigh resolution Kaon Spectrometer


New Splitter

Jlab E05-115 の実験配置

2m

HKSHigh resolution Kaon Spectrometer

特徴 :•新 Splitter •新散乱電子スペクトロメータ

の導入


1. Splitter magnet を既存 C 型 Dipole から新規設計したものへと・より良い光学的性質 (HES, HKS との matching の最適化 )

2. Electron arm を既存の Enge spectrometer から High resolution Electron Spectrometer (HES) へと

•目標中心運動量 0.55 – 1.0 GeV/c Beam energy 2.05-2.5 GeV で実験可

•目標運動量アクセプタンス ±100 MeV/c• 目標運動量分解能 2×10-4 (FWHM)

実験 setup の設計目標および特徴JLab E01-011 実験のセットアップを基に、

JLAB 12 GeV upgrade に柔軟に対応できる

上記二点に関して報告


1. New Splitter Design

106 l/min (0.5MPa)

205 V x 1020 A x 224 turns

2.5GeV beam

1.0GeV/c e’

0.55GeV/c e’

磁場 1.8 T偏向角 31~45 度磁極間隔 19 cm(Pole を真空箱の一部として利用 )

重さ 27 トン大きさ縦 1250mm× 横幅 2445mm

Splitter TOSCA calculation

1.2GeV/c K+


• Q1 (2.7 トン ) 磁場勾配 7.8 T/m

長さ 60 cm ボア直径 20 cm

( 有効全幅 46 cm)

• Q2 (3.05 トン ) 磁場勾配 5.0 T/m

　長さ 50 cm ボア直径 25 cm

( 有効全幅 61 cm)

• Dipole (36 トン )　　　　　磁場 1.65 T 偏向角 50 度曲率半径 220 cm 有効磁極間隔 17 cm ( 磁極間隔 19.4

cm) 有効磁極幅 53 cm

2. HES Magnet Design (Small version of HKS)

HKS

HES

New Splitter

Q1

Q2

D


HES-HKS 系の 3D CAD 図

HKS

HES

Splitter


HKS (p/p=2×10-4 FWHM, =8 msr) との組み合わせで、

Ebeam=2.5 GeVtarget=100 mg/cm2

において、

TargetBeam Intensit

y

(A)

Counts per

100nb/sr/hour

Mass resolution

(keV FWHM)

12C 30 48 360

28Si 30 21 320

51V 30 11 310

総合性能

cf. E89-009 : 0.7/(100 nb/sr/h), 750 keV FWHM for 12C


Etop1pass

(GeV)

Etop2pass

(GeV)

10.40.3 0.6 0.8

Ee’ (GeV)

2.51.8 1.9Ee at Hall

(GeV)

Acceptable Central Energy

(GeV)

HESENGE

2.0 2.2 2.4

4.4 4.55 5.0 6.0

9.45 10.3 10.8 12.0

2.1

HKS+ENGE( 旧 ) と HKS+HES( 新 ) での利用可能なBeam energy の比較

Note: JLAB には A,B,C ３実験室、 5(5.5) 周で最大エネルギー、任意の周回数で取出しができる


JLAB E05-115 実験は、– 28Si, 51V, 89Y といった中重核までに対する (e,e’K+) 反応分光実験– ハイパー核の微細構造 (core excited states, ls splitting 等 ) を見ることを目的

この実験では、– Splitter 磁石の更新 ( 以前は既存 C 型 Dipole の流用 )– 散乱電子スペクトロメータの更新 ( 以前は手持ちの Enge spectrometer を流

用 ) 主要 3 要素 (Splitter, K-arm, e-arm) 全てが (e,e’K+) 反応用に特化されたも

のに

を行うことにより、– JLAB の 12GeV upgrade への柔軟な対応– Splitter 及び散乱電子スペクトロメータの光学的性質のより良い理解

などが可能となった。

今後– 検出器系 (Drift chamber, Trigger hodoscope) の設計、製作– HES 系の JLAB への輸出 (2007 年度前半 )– 本実験 (2008 年予定 )

まとめ


• 磁石構成 DQQD 水平 (31~45)+50 度偏向

• 中心運動量 0.55 – 1.0 GeV/c• 運動量アクセプタンス > 200 MeV/c• 運動量分解能 2 × 10-4 (FWHM)• 散乱電子検出角水平 : 0 度

垂直 : < 10 度• 立体角 5~10 msr

HES の単体性能


仮想光子束角度分布と、各 acceptance


PS, Water requirement

• HKS– Q1 160Vx1000A (102Vx600A);50 l/min (0.6MPa)– Q2 160Vx1000A (50Vx400A);17 l/min(0.4MPa)– D 252V x 1254A (Mitsubishi); 135 l/min (0.4Ma) – D-PS 73 l/min (0.9MPa)

• HES– SPL 205x1020A (106 l/min,0.5MPa)– Q1 110Vx880A (41 l/min,0.5MPa) – Q2 110Vx880A (42 l/min,0.5MPa)– HES D 233Vx1100A PS (from Japan) 150 l/min+70 l/min(PS)

Design input 35 C (95 F) 30 K (18F)


Splitter 図面


Q1 図面


Q2 図面


Dipole 図面


( 1 : 40 )

1000

7.5

‹

HES の Tilt 例 (7.5 度 )


制動放射および Møller 散乱からの電子を避けるため、散乱電子スペクトロメータを垂直方向 7.74 度方向に傾ける

散乱電子 (0.2 to 0.4 GeV/c)

(1) Bremsstrahlung(2) Møller scattering(3) Virtual photons

“Tilt method” のコンセプト (E01-011 の例 )


Expected hypernuclear production ratesin the (e,e’K+) reaction

TargetBeam Int

ensity

(A)

Counts per

100nb/sr/hour

Q-free K+ in

HKS(Hz)

12C 30 48 340

28Si 30 21 288

51V 30 11 228

TargetHypernucleu

s orbitalCross section

(nb/sr)

12C 12B

s1/2 112

p3/2 79

p1/2 45

28Si 28Al

s1/2 56

p3/2 95

p1/2 57

d5/2 131

d3/2 111

51V 51Ti

s1/2 18

p3/2 41

p1/2 26

d5/2 52

d3/2 48

1s1/2 16

f7/2 32

f5/2 38

Calculated hypernuclear cross sections

(Target thickness 100 mg/cm2)

Hypernuclear production rates

Motoba, Sotona


51Ti and 51

V spectraKEK SKS dataSimulation


HKSHES

New Splitter

0.6 GeV/c

1.0 GeV/c

HES の磁石配置例


Drawing of the HES + HKS

HKS

HES

New SPL

Splitter TOSCA calculation


1212BB

反応分光としては世界最高

•エネルギー分解能 : 半値幅 750keV

•12B 基底状態の束縛エネルギー :

原子核乾板のデータと一致

12B spectrum

赤 : 実験データ黒 : 断面積 : 元場 et al. 励起エネルギー :Millener

問題点•偶然同時計数が非常に多い

S/N=1•左記データに正味一ヶ月

•(e,e’K+) 反応の実用性を実証

06/9/22JPS秋季大会@奈良女 31 Coincidence time= Enge time (target)- SOS time (target)

Enge time(target)

解析方法解析方法K+ arm : background(e+,+,p) を除去。散乱電子との True coincidence を選ぶ。

Beam RF 499MHz2ns structure


○ beam energy : 1.721, 1.864 GeV(photon energy 1.4-1.6GeV total cross section 最大 )○ 収量を最大にする kinematics :生成 K+ 最大生成 K+ を 2deg で検出生成 virtual photon 最大散乱電子を 0deg で検出（両方のスペクトロメータを極小角に設置できないので Splitter magnet を用いる）代償 : bremsstrahlung 電子によるバックグラウンド (108/sec) がビーム量を制約○Beam current : < 0.6A(for 12C)

E89-009 実験~ 世界初の電子線によるハイパー核生成実験


O. Richter, M. Sotona, and J. ZofkaPhys. Rev. C43 2753 (1991)

-B(MeV)

10deg

0deg7He spectrum (theory と比較 )


Mass scale calibration ( 更新 )

p(e,e’K+) with CH2 target

Accidental coincidence

MHY - M(MeV/c2)

Old tune : P e’ , dp/p(SOS) 　

P beam

P0(SOS)一定

Beam stability 2x10-5

ビームの絶対値 ~10-4

P0(SOS) Splitter が入ったことで数 MeV のoffset が生じうる

New tune : Pe’,dp/p(SOS),Pbeam,P0(SOS)


新しい自由度 ~ ストレンジネス ~ を持った原子核

• 核内深部のハハハハ一粒子軌道 - の単一粒子描像• 原子核構造の変化

- 大きさ , 殻構造 , クラスター構造 etc.•バリオン間相互作用

- flavor SU(3)

ハイパー核とは ?ハイパー核 = 原子核 + ハイペロン (, etc.)

e.g. 12B = 11B+


Hiyama et al., Phys. Rev. C53 2075(1997)

•存在は確認原子核乾板実験より

•その他の素性は一切不明B(g.s), 準位構造等

7He ハイパー核

6He とハハハハ

ハハハハの “ glue-like role” の典型例


6He+threshold

O. Richter, M. Sotona, and J. Zofka 　 Phys. Rev. C43 2753 (1991)

7Li(e,e’K+)X spectrum


Jefferson Lab の紹介１アメリカ東海岸Virginia州 Newport News


Jefferson Lab の紹介２


Jefferson Lab でのハイパー核分光実験

Hall C : E89-009 PRL 90, 232502 (2003) 12

B, (7He)

E91-016 PRL 93, 242501 (2004)3,4

H E01-011 先月終了

12B, 28

Al, 10,11Be, 6,7

He ….

Hall A : E94-107 終了12

B, 9Li, 16

N


ハイパー核の生成方法•中間子を用いたもの　　　　　素過程

(K-,-) 反応 @ BNL-AGS nK- - 5 mb/sr(+,K+) 反応 @ KEK-PS n+ K+ 0.5 mb/sr

- 比較的大きな生成断面積- 二次中間子ビームの利用 ~ エネルギー分解能を制限

1.5 MeV (FWHM) with SKS at KEK

•電磁相互作用を用いたもの(e,e’K+) 反応 *p K+ 2 b/sr

- 生成断面積は中間子によるものより２～３桁減~ 高品質の一次ビームで補って余りある

- e’ and K+ ともに前方角で測定することが必要~ 複雑な実験セットアップを要求する

- 一次ビームの使用 ~ MeV 以下の分解能が得られる

Lab. cross section at 0deg


Duty factor : 100% エネルギー幅 : 2.5×10-5

エミッタンス : 2µm•mrad最高エネルギー： 5.5 GeV最大電流 : 200 A

唯一 : Jefferson Lab の超伝導連続電子線加速器

電子線を用いたハイパー核分光実験のできる施設


Jlab E89-009 実験~ 世界初の電子線によるハイパー核分光実験

e’=0deg ~ 仮想光子収量最大=2deg ~ K+ 収量最大

Ebeam=1.721, 1.864 GeVpe’=0.2~0.32GeV/cpK=1.2GeV/c20%

0 度方向で測定するデメリット :制動放射電子によるバックグラウンド (108/se

c) がビーム量を制約、多量の偶然同時計数

Ibeam< 0.6 A (for 12C 22 mg/cm2)

E=1.4~1.6GeV → 素過程断面積最大

特徴 : K+, e’ ともに最前方で捕らえる


Beam Dump

Target

Electron Beam

　　　　 Focal Plane( SSD + Hodoscope )

Splitter Magnet

K+

K+

QD

_

D

0 1m

QD

_D

Side View

Top View

Target

SOS Spectrometer Resolution 5 x 10

Solid angle 9 msr(6msr with splitter)

(1.645 GeV)

-4

Jlab E89-009 の実験セットアップKaon arm : SOS spectrometer

Momentum resolution : 5×10-4

Solid angle : 6msr

Electron arm : ENGE spectrometerMomentum resolution : 5×10-4

Solid angle : 1.6msr

電子ビーム


Jlab E01-011 で期待される成果12

B, 28Al, 10

Be, 11Be, 6,7

He ….に対する質量スペクトルが、•<400 keV (FWHM) の高分解能•高統計 (E89-009 の 30倍の収量 )•高 SN比 (10:1)

で得られる。

Jlab E89-009 (e,e’K) Jlab E01-011 (e,e’K)

12B

幅広い質量数領域における新たな Λ ハイパー核分光実験 (jlab e05-115) 用...

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