ベクトル中間子で探る 強い相互作用のもたらす質量の謎...

2001年5月　東工大セミナー

1延與秀人　理化学研究所

ベクトル中間子で探るベクトル中間子で探る強い相互作用のもたらす質量の謎強い相互作用のもたらす質量の謎

－失われた対称性を追ってー

延與秀人理化学研究所

はじめに　（物理の説明）はじめに　（物理の説明）実験の概要実験の概要実実実実　 　実実実実　 　→→ KK++KK － － & & 　　　　→e→e ＋＋ ee － －

まとめと議論まとめと議論

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forfor

CERN Press Release

Feb. 2000

これは１例、他に７つほど

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理論屋の見解（闇雲に信じると痛い目に？）理論屋の見解（闇雲に信じると痛い目に？）

•　　　　　 quark condensate : クォーク凝縮

• カイラル対象性の破れの指標• 観測量ではない　（残念！）

→ 　 Vector Meson, 　　 　 実実実 Mv = 2 x Mq

eff + small interaction term

qq

クォーク質量はもともとほとんどゼロ。強い相互作用での対称性の自発的破れでのため有効質量を持つ

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思考実験１）原子核に束縛された核子やメソン思考実験１）原子核に束縛された核子やメソン

• 神岡の水タンクのなかで酸素原子核のなかの中性子（または陽子がＧＵＴ崩壊したことを想定してみる。崩壊粒子は完全測定し、不変質量を求めると…

　　 n → π+ + e　

Mn2 → 　Eπ

+ Ee)2 Pπ + Pe)2

Mn = 939.6 MeV , Mn

= 938.3MeV ?????

正確に言うと16O → π+ + e + 15O*

(Mn +M15O ) 2

→ 15O + Eπ + Ee )2 　P15o

+ Pπ + Pe )2

0

1

2

3

4

0 1 2 3

p2 (GeV2)

E2 (

GeV2

)

16O のレベルを見ることになる

E2 =M

2 +P2

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思考実験２）媒質中を走るメソン思考実験２）媒質中を走るメソン

be smallbe smallE2 =M2 +P2

• 媒質中の中間子の質量分布（スペクル関数）– 娘粒子から構成する「不変質量」はローレンツ不変ではない　（分散関

係）• 共鳴エネルギー位置（質量）のシフト• 共鳴巾の増大、縮小も起こり得る

Outside

Inside

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CLUES

Experiment Measurements Interests

CERES/HELIOS-3 modification Temp. dep. ρis modified in Hot Matter

KEK-TANASHI ES modification Density dep. ρis modified in He

GSI 　　modification Density dep. πis modified in Pb

Present & future experiments .

RHIC(running)/LHC(2006)KEK-PS: p+A→+X(→K+K/e+e) (Running)SPring-8: 　+ →+A*(→ K+K) 　　　　 (Ready to run )GSI: d +A→3He+A* (　bound states) (Ready to run )GSI-HADES: +A→ +A* (→e+e) (Preparation, 2001?)

ExperimentsExperiments

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KEK-PS E325KEK-PS E325 原子核媒質中で起こる原子核媒質中で起こる ρωφ ρωφ の崩壊の測定 の崩壊の測定

KK Thresholdin Free Space

K modification ?

　modification ?

((=4.4MeV) =4.4MeV) Q=38MeVQ=38MeV

φ →K+K　φ →　 e+e 質量分布の変化の測定質量分布の変化の測定　　

φ → 　 e+e

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Some Tips of E325Some Tips of E325

• 109/sec の一次ビーム（ 12GeV ）を薄い原子核標的（散乱長 0.1% ）に照射（ γ コンバージョンを抑える）。

• 狙いはゆっくり動くメソン , ｐ = １ ~2GeV/c(lab). 約 10% の作られた ‘ s は確率的に原子核内で崩壊（巾が広がらなかった場合）。

• 予想される質量変化は φ で 20~40 MeV 、 ρ や ω で～ 140MeV 　（初田 -Lee).

• セカンド・ピークの相対量はメソンの速度で変わる可能性がある。• 崩壊比 (→K+K)/(→e+e) は φ と K の質量変化に敏感な量である。 • , 　 実実実実実実実実 (4.4, 8.4MeV), 核内巾は広がる可能性あり。

　　見積もりは 　　 = N 0 　<20MeV

{N} < $10mb, total cross section (from +A→　) 　 =0.7,0 =0.16/fm3

　→+*K*(KN→X) 　 Klingle and Weise 　~44MeV (at rest)

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Brief Mile Stones and StatusBrief Mile Stones and Status

• 1994 3 月 . KEK-PS PAC 留保• 1995 3 月 . KEK-PS PAC 採択 • 1996 7 月 . 建設開始• 1996 11 月 . Engineering Run (40.5shift of beam test)• 1997 6 月 , 最初の物理ラン（ K+K 実 . 17days 50 shifts

– Data accumulation mainly with K+K channel trigger– Beam Intensity 1~2 x108$ protons/spill on 0.6% interaction targets (106 interaction/spill)

• 1998 3 月 . スペクトロメーター完成 , • 1998 ４－５月 . 物理ラン days 74shifts.

– Parallel Trigger. K+K-/ e+e- – Beam Intensity 1~2 x 109 protons/spill on 0.1% interaction target (106$ interaction/spill)

• 1999 6 月　物理ラン 57 shifts – Parallel Trigger. K+K-/ e+e- – Beam Intensity 1~2 x 109 protons/spill on 0.2% interaction target (106$ interaction/spill)

• 2000 6 月 , 35shifts• 2000 12 月 . 35shifts • 2001 12 月 . ~100 shifts

KK ee

Analy

sis

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• Kyoto UniversityH.Funahashi,, M.Kitaguchi, M.Miyabe, T.Murakami, R.Muto, M.Naruki, F.Sakuma, H.D. Sato, S.Yamada

• CNS, University of Tokyo – H.Hamagaki, K.Ozawa

• Tohoku University– H. Kanda

• KEK– J.Chiba, M.Ieiri, O.Sasaki, M.Sekimoto, K.Tanaka

• Osaka University– M.Nomachi

• RIKEN– S.Yokkaichi, T.Tabaru, H. Enyo

E325 collaborationE325 collaboration

ICEPP, U-TokyoS.MiharaM.Ishino

CompaniesT.Miyashita

Y.YoshimuraK.Hamada

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E325 SETUPE325 SETUP

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ターゲット周りターゲット周り

• 3枚の串刺し標的　　 C/CH2/Cu

– 109/s protons，– 106/s interactions

• Vertex chamber 　　 2000 年から

– 1.75mm drift length

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Spectrometer PerformanceSpectrometer Performance　　Invariant Mass Invariant Mass Spectrum)Spectrum)

M= 494.8MeV/c2 (PDG 497.7MeV/c2)

M　　= 6.1MeV/c2 (Sim 6.3MeV )

→→pp

→→

M= 1115.4-5MeV/c2 (PDG 1115.7MeV/c2)

M　　　　= 1.8-2.4MeV/c2 (Sim 1.9MeV)

φ→KK 2． 4MeV　 φ→ee 9MeV　

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‘‘98 data (Electron Channel)98 data (Electron Channel)

• ω→e+e－　　Significant　Difference　between C and Cu• The first observation of in-medium decay of vector mesons.

PRL, the issue of 28 May, page 5019

　 e+e-

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Combinatorial backgroundCombinatorial background

電子の主なバックグラウンドは

　 π0→γγ 　（ γ→ee)

π0→ eeγ

　 ππ 相関は？　（左の絵）

Spectrum of pair

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‘‘99 data (KK mode) 99 data (KK mode) to be publishedto be published 　　

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Experiment

JAMAll come from string decays

JAM (Y.Nara, RBRC)JAM (Y.Nara, RBRC)Intra Nuclear Cascade Intra Nuclear Cascade CodeCode

Pt

Ｙ－ PtY

βγ

Resonance Production ( Low Energy)String Excitation (Mid Energy)Parton-parton (High Energy)

K+K- Sources1. φ2. a0/f0

3. Non resonant (not large)4. PID back ground

C,CH2 data (χ2 = 34.5/37)

a0/f0 to φ 　　 37． 7±10 %

Gd,Cu data (χ2 = 38.8/37)

a0/f0 to φ 　　 27.2±10． 1

％

Kinematical Distributions are well Described by JAM

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Target Mass Dependence ofTarget Mass Dependence of →K→K++KK　　　　　　　　　　　　(’97+’99 Data)(’97+’99 Data)

=1.010.09 EXP

=1.080.01 JAM

is surprisingly large but

　 explained by JAM.

For CarbonΩσ= 0． 19 　 0.030.09 μｂ　 E

XPΩσ= 0． 31 　 0.03 μｂ　　　　 J

AM

σ= 15.5 Aαμｂ　　 JAM

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Target Mass Dependence ofTarget Mass Dependence of φφ→e→e++ee　　　　　　　　　　　　(’99 Data)(’99 Data)

= 　 0.63 　 ± 0.07 for ωpeak

= 　 1.03 　 ± 0.15 for φpeak

　ω→e+e－ C/CH2

φ→e+e－

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何を学んだのか 何を学んだのか ??• ベクターメソンの質量スペクトラムの変

化をはじめて電子対モードで観測。• QCD カイラル対称性が部分的回復した現

象か？ – ちと早計

（世の中それほど単純ではない）

Toy Model 計算

　　　　　　？無責任？な過程　　　　　 初田氏の予想に従った質量シフト 媒質中での崩壊巾は自由空間の　 3倍 ( D. Cabera et al.)ρ ・ ω 生成は核表面で起こる（ A 2/

3 ）

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なにが足りないのか なにが足りないのか ??

• 理論的には– 媒質中の崩壊巾のひろがりは？

• 不変質量分布• 崩壊頻度

仕事はいろいろ出ているが共通見解はない。

– 他のトリビアルな原因？• Collisional broadening

• Phase space (E325 では効かない )

• 実験的には– まずは統計精度の向上

• 正確な質量分布の形を与えること• 分散関係（形の運動量依存性）

– φ→e+e －• 理論的な不定性はかなり消える。 By Akaishi, Yamazaki

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Summary and Outlook Summary and Outlook The ’97+’99 →K+K　 実実実実実実実実実実　 実実実

質量スペクトラムに有為な変化は見出せない ( 　 a0/f0 は問題　 ) 生成の原子核質量依存性は大 ( =1.01 0.09 ) カスケード・コード JAM は結果をよく再現している .

‘98 ω→e+e- の質量スペクトラムには ρ/ω の核内崩壊に起因すると考えられる変化が観測された。 核物質中で崩壊したメソンの初めての測定。 . この現象を支配する物理は未だ明確ではないが、実験データとしては重要

なステップである。 ‘99 e+e　 実実実実実実実実実 φ →e+e- の美しいピークが見えている。

ω と φ の生成の原子核質量依存性はそれぞれ ~2/3 と ~3/3 。 最終的な統計は５－１０倍程度になり、 φ→e+e- 　の質量分布とその分散関係（運動量依存性）が議論可能になる。有限密度下でのカイラル対称性の実態に迫る初めての実験となることが目標。

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Electron efficiency and pion contaminationElectron efficiency and pion contamination

• We evaluated the electron efficiency and pion contamination　 in the momentum range greater than 400 MeV/c.

EM cal Energy.vs.Momentum

The remaining e　pair background was estimated to be about 13% in the final e+e- pair sample.

The contaminations like 　pair to be negligibly small.

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Kinematical distribution of electron pairKinematical distribution of electron pair

• The kinematical coverage of the present data is shown.

• The combinatorial background is subtracted.

Light Target Heavy Target

Openingangle

Openinganglelab lab

TransverseMomentum

TransverseMomentum

Rapidity Rapidity

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450GeV p+Be→ee Helios/Na34