Transcript CDC

J-PARC E15実験
A search for deeply bound kaonic nuclear states
by in-flight 3He(K-,n) reaction
参加研究機関数
参加人数
１５
４７
はじめに
K中間子原子の 2p-１s 状態へのＸ線測定（ＫｐＸ, KEK-E228,1997) の教えていること
Ｋ中間子‐核子間に強い引力が働いているということ
この実験事実を踏まえ、L(1405) をＫＮの強い束縛状態と仮定する
K中間子原子核の存在を予言
（赤石ー山崎, 2002）
K中間子原子核は
本当に存在するのか？
２番目に単純な構造を持つ
K中間子原子核、K-pp に注目
その存否に関し決着をつける
J-PARC E15 実験
実験手法

3He(K-,n)
反応による K-pp 状態の直接生成
3He
K-
反応
K-pp
cluster
neutron
崩壊
終状態荷電のみの崩壊モード
L
pp
p
この反応では生成されたK-pp 束縛状態
は質量欠損測定および不変質量再構成
の両面から識別可能
本日の発表の概要
１）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性
２）Ｅ１５実験 検出器についての概要説明および現在の進展状況
ビームライン
スペクトロメータ
前方スペクトロメータ
崩壊粒子検出器群
ビーム
スイーパー
飛跡検出器等
K-
標的
Q D Q
1-1）
1-2）
1-3）
1-4）
1-5）
ビームラインスペクトロメータ
3He 標的
前方スペクトロメータ
崩壊粒子検出器群
信号読み出し回路
３）実験建設予算に関する事項
４）実験実施体制
中性子カウンター
本日の発表の概要
１）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性
２）Ｅ１５実験 検出器についての概要説明および現在の進展状況
ビームライン
スペクトロメータ
前方スペクトロメータ
崩壊粒子検出器群
ビーム
スイーパー
飛跡検出器等
K-
Q D Q
1-1）
1-2）
1-3）
1-4）
1-5）
標的
ビームラインスペクトロメータ
3He 標的
前方スペクトロメータ
崩壊粒子検出器群
信号読み出し回路
３）実験建設予算に関する事項
４）実験実施体制
中性子カウンター
Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性
1) （K- ,n） 素過程反応断面積
２) Ｋ中間子ビーム強度の運動量依存性
[106] 1.4
Yield at Final Focus Z = 27.573 m
Negative Kaon
Counts per spill
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
反応断面積の観点から
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Momentum [GeV/c]
K ビーム強度 Ｘ 反応断面積
1.0 GeVビーム付近のビームを使う すなわち
Ｋ１．８ＢＲ ビームラインでの実験実施
K ビーム強度 Ｘ 反応断面積からの観点
K1.8BR最高ビーム運動量近辺での実験実施
1.1
Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性 （２）
3He(K-,n)
反応において中性子が受ける運動量移行
K-pp 状態 束縛エネルギーが１００MeVを仮定
~300 MeV/c
入射 Ｋ中間子ビーム
1.0 GeV/c
放出 中性子の運動量
1.3 GeV/c
前方に放出される中性子運動量
飛行時間差（Time-Of-Flight）で測定
飛行距離一定
運動量が低い（飛行時間が長い）方が分解能が良い
質量欠損分解能 飛行距離１２ｍ
DMx (FWHM)= 28 MeV/c2 @ Kbeam=1.0 GeV/c
DMx (FWHM)= 38 MeV/c2 @ Kbeam=1.1 GeV/c
反応レート と 質量欠損分解能の双方を考慮し、ビーム運動量 1.0GeV/c を選択
本日の発表の概要
１）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性
２）Ｅ１５実験 検出器についての概要説明および現在の進展状況
ビームライン
スペクトロメータ
前方スペクトロメータ
崩壊粒子検出器群
ビーム
スイーパー
飛跡検出器等
K-
Q D Q
1-1）
1-2）
1-3）
1-4）
1-5）
標的
ビームラインスペクトロメータ
3He 標的
前方スペクトロメータ
崩壊粒子検出器群
信号読み出し回路
３）実験建設予算に関する事項
４）実験実施体制
中性子カウンター
ビームラインスペクトロメータ
1. SQDQで構成されているビーム光学系
2. VI点と最下流の最終フォーカス(FF)点
でpoint to pointになるようにデザイン
ビームラインに設置する検出器群
１．ビームライン飛跡検出器
２．ビームホドスコープ（ＴＯＦカウンター）
３．粒子識別 Ａｅｒｏｇｅｌ カウンター
ビームラインスペクトロメータ : 上流
BLC1
ＫＥＫ－ＰＳ Ｅ４７１で製作、使用した
Beam Line Chamber (BLC)
有効面積
ワイヤー構成
アノードワイヤー数
セルサイズ
16cm X 16 cm
X-X’ -Y-Y’ ４セット（計16 planes）
32 wires / plane （計512 wires）
5 mm cell ( 2.5mm drift lengh)
Profile at BLC1(VI) Z = 22.285 m
100000
BLC1
Profile at BLC1(VI) Z = 22.285 m
Kaon
Pion
Total
Kaon
Pion
Total
300000
80000
Counts per spill
Counts per spill
240000
60000
VI 点での
ビームプロファイル
180000
40000
120000
20000
60000
0
-15
-10
-5
0
5
X position (cm)
10
BH1 (ビームホドスコープ）
15
0
-15
-10
-5
0
5
Y position (cm)
10
15
新規製作、BLC1 の上流に設置
シンチレーター 2cm X 6cm X 0.5 cm
１０セグメント、有効面積 20 x 6 cm2
最大single rate ~400 kHz
ビームラインスペクトロメータ : 下流
ＫＥＫ－ＰＳ Ｅ549で製作、使用した
Proton Drift Chamber (PLC)
BLC2
有効面積
ワイヤー構成
アノードワイヤー数
セルサイズ
180000
25cm X 25 cm
X-X’ -Y-Y’ ４セット（計16 planes）
32 wires / plane （計512 wires）
8 mm cell ( 4.0mm drift lengh)
Profile at BLC2 Z = 26.773 m (FF-0.8)
Kaon
Pion
Total
150000
Profile at BLC2 Z = 26.773 m (FF-0.8)
Kaon
Pion
Total
400000
Counts per spill
120000
Counts per spill
500000
飛跡検出器を設置する
FF－80 cm 点での
ビームプロファイル
300000
90000
200000
60000
100000
30000
-10
-5
0
5
X position (cm)
10
BH2 (ビームホドスコープ）
-10
-5
0
5
Y position (cm)
10
新規製作、BLC2の下流に設置
シンチレーターサイズ 1.5cm X 6cm X 0.5 cm
5セグメント、有効面積 7.5 x 6 cm2
最大single rate 450 kHz
ヘリウム標的開発現状
液体窒素タンク
4 Kポット(4 K)
1Kタンク(1.25 K)
ヘリウム３熱交換器
ヘリウム３標的容器
4Heガスを用いたテスト
平成１８年中
到達温度、熱流入、ガス内部循環の調査
平成１９年度夏
3He を使わないテストの終了
平成１９年度末
標的実機の完成
試作3He標的容器
前方スペクトロメータ
中性子カウンター ：
０度方向（ビーム軸）に放出される
中性子の運動量を測定（飛行時間差測定）
検出器としてはKEK-PS E549 中性子カウンターを移設
E549 中性子カウンター
1.5 m
２０Ｘ５Ｘ１５０ｃｍ３ （幅Ｘ厚Ｘ長さ）の
プラスチックシンチレーター １１２本
構成
１６枚 Ｘ ７層構造
有効面積
3.2m X 1.5m
光電子増倍管、ケーブル、読み出し回路まで
一式込みで移設し使用する。
中性子カウンター設置位置
現在のビームラインデザインで
実現可能最大飛行距離
ＦＦ点から１２ｍ
中性子カウンターで測定する
質量欠損分解能の飛行距離依存性
ビームスイーパー（二重極電磁石）
ビーム粒子を０度方向に設置する
中性子カウンターアクセプタンスから
蹴り出すための電磁石
崩壊粒子検出器すぐ下流に設置
電磁石への印加磁場と
中性子カウンター表面での
ビームプロファイルを確認
ビーム粒子の直接ヒットを
抑えるためには
0.7 Tm 以上の磁場強度が必要
KURAMA(0.8 Tm)
牛若
(1.05Tm)
静
(0.86Tm)
のいずれかを使用したい
, @KEK-PS K2 beam line
, @KEK-PS p2 beam line
, @KEK-PS T3 beam line
（間口の大きさからＫＵＲＡＭＡが第一候補）
崩壊粒子検出器群
Cylindrical Detector System (CDS)
ソレノイド電磁石
Cylindrical Drift Chamber (CDC)
Cylindrical Detector Hodoscope
(CDH)
K-
ソレノイド電磁石
口径 1.2m, 最高磁場 0.7Ｔ
平成１９年３月納品
内部磁場マップ
ソレノイド電磁石基本パラメータ
口径
磁極長
磁場強度
電流
電圧
直流抵抗
電力
水路
重量
Φ１２００ｍｍ
１２００ｍｍ
０．７Ｔ （Ｍａｘ）
１０００Ａ
３５０Ｖ
０．３Ω
３５０ｋＷ
３４水路
２０トン
CDC
ＣＤＣ構造
ＣＤＣ内径 １５０ｍｍ
ＣＤＣ外径 ４８０ｍｍ
セルの形状
六角形、ドリフト長 １ｃｍ
50ns等ドリフト時間等高線
読み出し回路
Amp-Discri 新規製作
ＤＡＱ
ＴＫＯ Ｄｒ．ＴＩＩ （既存）
ＣＤＣ内部 ワイヤー構成
Axial Super layer ( axial wire 3層）
Stereo Super layer（stereo wire 2層 Ｕ）
Stereo Super layer（stereo wire 2層 Ｖ）
AUVAUVA
の計１７層構成
CDH
CDCを囲むように設置するシンチレータカウンタ
シンチレータ:
BICRON BC408
光電子増倍管 ： Hamamatsu H8409 (ファインメッシュ型)
セグメント数：
５０
役割：
１） 崩壊粒子トリガー
２） ＴｏＦ と エネルギー損失を
用いた粒子識別
信号の読み出し
ＴＫＯ システム (既存)
Charge ADC と ＴＤＣ
CDH
CDC
典型的なイベント
GEANT4 を用いた検出器シミュレーション
K-pp 束縛エネルギー １００ＭｅＶを仮定
Proton
Proton
neutron
Proton
p-
p-
L
Proton
Λ
σ（MeV）
σ（MeV）
ＧＥＡＮＴ４を用いた検出器シミュレーションの結果
K-pp state
Λ momentum (MeV/c)
• 終状態の荷電粒子が同一なK-pp状態
の崩壊モード
– K-pp ➾ Λp ➾ pπ-p
– K-pp ➾ S0p ➾ gΛp ➾ g pπ-p
momentum (MeV/c)
∑ channel
Λ channel
• 崩壊幅 GK-pp= 60 MeV を仮定
Invariant mass of Λp (MeV)
トリガー条件
１） Ｋ中間子ビームがターゲットに到達したことを保障するために
“ビームホドスコープのヒット”
“Ａｅｒｏｇｅｌ Ｖｅｔo 信号”
“Kaon decay Veto にヒットがない”
“Beam Veto（標的後方のカウンター）”
の４条件を用い保障
２） 標的において反応が起こったことを保障するために
“ＣＤＨ”のヒット多重度をトリガーに加える。
（最低２枚のカウンターにヒットが存在）
以上を要求し、データを収集する。
予想されるバックグラウンドからのトリガーレート １００－１３０Ｈｚ
信号読み出し回路
飛跡検出器用フロントエンド回路
CDC 用、ビームラインカウンター用どちらも新規製作
ＫＥＫ 谷口氏 デザインの “Amplifier Shaper Discriminator”
をベースに製作
ＤＡＱ
中性子カウンター、ＣＤＣ、ＣＤＨ、ビームラインホドスコープ
ＫＥＫ－ＰＳ Ｅ５４９で使用したＴＫＯシステムを使った読み出し回路一式を移設
ビームライン飛跡検出器用
ＫＥＫ オンライングループ開発の新システムＣＯＰＰＥＲを使用（新規製作）
ビームラインスペクトロメータ
飛跡検出器
ホドスコープ
ＰＩＤカウンター
CDC
CDH
中性子カウンター
COPPER
TKO
TKO
TKO
TKO
TKO
1024 ch
30 ch
2 ch
1842 ch
200 ch (ADC, TDC)
224 ch (ADC, TDC)
本日の発表の概要
１）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性
２）Ｅ１５実験 検出器についての概要説明および現在の進展状況
ビームライン
スペクトロメータ
前方スペクトロメータ
崩壊粒子検出器群
ビーム
スイーパー
飛跡検出器等
K-
Q D Q
1-1）
1-2）
1-3）
1-4）
1-5）
標的
ビームラインスペクトロメータ
3He 標的
前方スペクトロメータ
崩壊粒子検出器群
信号読み出し回路
３）実験建設予算に関する事項
４）実験実施体制
中性子カウンター
実験建設予算
品目
ＣＤ Ｓ本体
ＣＤＳソレノイド電磁石
ＣＤＣ
CDH
シンチレーター
光電子増倍管
光電子増倍管用ＨＶ電源
K-decay veto
シンチレーター + WLS
マルチアノードＰＭＴ
実験予算総額
195,000千円（特定領域研究、計画研究）
執行済み
ＣＤＨ用 光電子増倍管 11,000千円
ソレノイド電磁石
42,000千円
平成１９年度
• ＣＤＣの建設
• ＣＤＣ－ビームライン飛跡検出器
フロントエンドボード製作
• ＣＤＨ用 光電子増倍管追加
• ＣＯＰＰＥＲ システム（一部）
平成２０年度
• 3Heガス
• ＣＤＨ製作
• ＣＯＰＰＥＲ システム（残数）
• 検出器移設
細目
個数
概算金額(千円)
1
1
40,000
30,000
50
100
4,000
22,000
10,000
1
300
260
CDC読み出し回路
Amp-Shaper-Discri (ASD) chip
ASD board
ケーブル
ビームライン検出器 ( ワ イヤーチ ェ ンバ ー）
Amp-Shaper-Discri (ASD) chip
ASD board
ＴＤＣ daughter card(COPPER)
定電圧電源
ケーブル
ビームライン検出器
Beam Hodoscope シンチレータ
３
150
70
750
2,100
5,000
100
40
40
1,500
1,200
2,400
2,000
3,000
30
300
Ｈｅ 標的
３
30,000
10,000
Ｈｅガス
標的Ｒ＆Ｄおよび実機製作
Ｄ Ａ Ｑ, Ｔ ｒｉ ｇ ｇ ｅ ｒ
ＣＯＰＰＥＲ用クレート
ＣＯＰＰＥＲメインボード
ＣＯＰＰＥＲプロセッサー
Trigger モジュール
Discriminator 等　回路計
計算機　ディスクサーバー
2
9
9
840
2,700
1,350
2,000
4,000
4,000
実験装置架台等
CDC 架台、サポートフレーム
検出器移設関係
10,000
5,000
合計
194,700
本日の発表の概要
１）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性
２）Ｅ１５実験 検出器についての概要説明および現在の進展状況
ビームライン
スペクトロメータ
前方スペクトロメータ
崩壊粒子検出器群
ビーム
スイーパー
飛跡検出器等
K-
Q D Q
1-1）
1-2）
1-3）
1-4）
1-5）
標的
ビームラインスペクトロメータ
3He 標的
前方スペクトロメータ
崩壊粒子検出器群
信号読み出し回路
３）実験建設予算に関する事項
４）実験実施体制
中性子カウンター
実験実施体制
実験責任者： 岩崎 雅彦（理研）、永江 知文（ＫＥＫ）
測定器建設： 味村 周平（大阪大）、飯尾 雅実（理研）、石元 茂（ＫＥＫ）、板橋 健太（理研）、
應田 治彦（理研）、大西 宏明（理研）、岡田 信二（理研）、阪口 篤志（大阪大）、
佐久間 史典（理研）、佐藤 将春（理研）、鈴木 隆敏（理研）、関本 美知子（ＫＥＫ）、
友野 大 （理研）、福田 共和（大阪電通大）、藤岡 宏之（東大）、
溝井 浩（大阪電通大）、
H.C.Bhang(Seoul Univ.), S. Choi(Seoul Univ), C. Curceau(LNF-INFN),
C. Guaraldo(LNF-INFN), M. Iliescu(LNF-INFN), P. Kienle (SMI, Austria),
D. Sirghi(LNF-IFNF), F.Sirghi(LNF-INFN), D. Pietreanu(LNF-INFN)
測定器建設に関する参加機関別の責任分担
CDS 建設
CDC設計－建設
CDH設計－建設
ソレノイド電磁石
ビームラインスペクトロメータ用検出器および
中性子カウンター
3He 標的
DAQ
理研－ＫＥＫ－阪大
－大阪電通大
理研－ＫＥＫ
理研
理研
理研－ＫＥＫ
理研
Y [cm]
Garfield を用いたフィールド計算
Y [cm]
Garfield を用い計算した
等ポテンシャル面
X [cm]
X [cm]
ＣＤＨ
ＣＤＣの周りを囲むシンチレーターカウンター
セグメント ６０ を両読み
ＰＭＴ ファインメッシュ型 ５０本すでに購入
読み出し回路 ＴＫＯ（？）
What we want to do ?
• Back to the original question
– Structure inside L(1405)
• multiquarks state?
• Double pole resonance ?
• bound state of K-p ?
– If we assume L(1405) to be a K-p bound state
• Second simplest bound state, K-pp, will also exist
( natural extension)
Existence of K-pp bund state
Will open new door to
the physics of K-cluster
3He(K-,n)K-pp →L p → p p- p
中性子カウンターにヒットを作るイベント における
p および L からの p p- の運動量分布
Momentum of Proton from L
Momentum of Proton
Momentum of pion from L
Assumptions
入射Ｋ 運動量分解能
中性子カウンター時間分解能
ＣＤＣ 位置分解能
ｘ－ｙ方向
z方向
K-pp の崩壊比、w/Lambda 対 w/Sigma を１：１で生成
Initial state での不変質量
Ｍ12
K-
Dp/p = 0.02％
２００ｐｓ
２５０mm
２ｍｍ
final state での不変質量
Ｍ34
K-pp
3He
Mass difference
|DM| < 52 MeV
n
DM で選んだK-pp にかんする残っているであろう S の寄与のチェック
ビームラインスペクトロメータ
280000
1. SQDQで構成されているビーム光学系
Profile at Final Focus (Z = 25.573 m)
Profile at Final Focus (Z = 25.573 m)
400000
Kaon
Pion
Total
240000
Kaon
Pion
Total
360000
320000
2. VI点と最下流の最終フォーカス(FF)点
でpoint to pointになるようにデザイン
ビームラインに設置する検出器群
Counts per spill
Counts per spill
200000
160000
120000
280000
240000
200000
160000
120000
80000
80000
40000
１．ビームライン飛跡検出器
２．ビームホドスコープ（ＴＯＦカウンター）
３．粒子識別 Ａｅｒｏｇｅｌ カウンター
40000
-5
実験で使用するＫ中間子ビーム運動量
1.0 GeV/c、実際に飛跡検出器を置く位置
ＶＩ点および ＦＦ点の６０ｃｍ上流 での
ビームの拡がり
100000
Profile at VI point (Z = 22.285 m)
320000
Kaon
Pion
Total
90000
Profile at VI point (Z = 22.285 m)
Kaon
Pion
Total
280000
80000
240000
Counts per spill
Counts per spill
70000
60000
50000
40000
30000
200000
160000
120000
80000
20000
40000
10000
0
-15
-10
-5
0
5
X position (cm)
10
15
0
-15
-10
-5
0
5
Y position (cm)
10
15
-4
-3
-2
-1 0
1
2
X position (cm)
3
4
5
-5
-4
-3
-2
-1 0
1
2
Y position (cm)
3
4
5