Transcript HKS - 東北大・原子核物理グループ

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
JLab 鳥瞰図@米国バージニア州
E01-011 Collaborators 集合写真
06/9/22JPS秋季大会@奈良女
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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
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JLab E05-115 実験の目的
(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、
高分解能 (<400 keV FWHM)
かつ
高統計 (e.g. 11/(100nb/sr)/h for 51LV)
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
LN 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
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(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
E89-009 final
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 12LB, 7LHe
12 B g.s, S/N=0.6
エネルギー分解能
750
keV(FWHM),
収量
0.8/h
for
L
12
12
C(e,e’K) BL
第2世代
E01-011(2005年)
23aSD4 岡安
High resolution Kaon Spectrometer
(HKS)と“Tilt
Method” 導入
12C(e,e’K
+) 12B
-4 (FWHM)
L
 DW(HKS)=16msr, Dp/p(HKS)=2×10
Data for 12LB, 6,7LHe, 9LLi, and 28LAl
第3世代
他の実験
JLAB Hall-A
E05-115(2008年予定)
本報告
E94-107(2004-5年) Data for 12LB, 9LLi, and 16LN
900 keV(FWHM) achieved, to be published soon
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E01-011 での実験配置と
kinematics
HKS
High resolution Kaon Spectrometer
1.2GeV/c K+
0.3 GeV/c e’
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’ arm
2m
1.8GeV Electron beam
K arm : 1 deg to 13 deg horizontal
e’ arm : 7.7 deg vertical
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Jlab E05-115 の実験配置
New Splitter
HKS
High resolution Kaon Spectrometer
特徴:
•新 Splitter
•新 散乱電子スペクトロメータ
の導入
2m
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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、
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
JLAB 12 GeV upgrade に柔軟に対応できる
•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)
上記二点に関して報告
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1. New Splitter Design
2.5GeV beam
1.0GeV/c e’
1.2GeV/c K+
106 l/min (0.5MPa)
0.55GeV/c e’
205 V x 1020 A x 224 turns
Splitter TOSCA calculation
重さ
大きさ
27 トン
縦1250mm×横幅2445mm
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)
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2. HES Magnet Design (Small version of HKS)
•
•
•
Q1 (2.7 トン)
磁場勾配
長さ
ボア直径
Q2 (3.05 トン)
磁場勾配
長さ
ボア直径
Dipole (36 トン)
磁場
偏向角
曲率半径
有効磁極間隔
有効磁極幅
HES
7.8 T/m
60 cm
20 cm
(有効全幅 46 cm)
D
5.0 T/m
50 cm
25 cm
(有効全幅 61 cm)
1.65 T
50 度
220 cm
17 cm (磁極間隔 19.4 cm)
53 cm
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HKS
Q2
Q1
New Splitter
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HES-HKS 系の 3D CAD図
HES
HKS
Splitter
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総合性能
HKS (Dp/p=2×10-4 FWHM, DW=8 msr) との組み合わせで、
Ebeam=2.5 GeV
rtarget=100 mg/cm2
において、
Target
Beam
Intensity
(mA)
Counts per
100nb/sr/hour
Mass
resolution
(keV FWHM)
12C
30
48
360
28Si
30
21
320
51V
30
11
310
cf. E89-009 : 0.7/(100 nb/sr/h), 750 keV FWHM for 12C
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HKS+ENGE(旧) と HKS+HES(新) での利用可能な
Beam energy の比較
ENGE
HES
Acceptable
Central Energy
(GeV)
0.3
0.4
1.8
1.9
4.4
4.55
0.6
0.8
1
Ee’ (GeV)
Ee at Hall
(GeV)
Etop2pass
(GeV)
2.0
2.1
2.2
5.0
2.4
2.5
6.0
Etop1pass
(GeV)
9.45
10.3
10.8
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12.0
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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
まとめ
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)
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HES の単体性能
• 磁石構成
•
•
•
•
中心運動量
運動量アクセプタンス
運動量分解能
散乱電子検出角
• 立体角
DQQD
水平 (31~45)+50 度偏向
0.55 – 1.0 GeV/c
> 200 MeV/c
2 × 10-4 (FWHM)
水平 : 0 度
垂直 : < 10 度
5~10 msr
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仮想光子束角度分布と、各acceptance
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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
–
–
–
–
Design
SPL 205x1020A (106 l/min,0.5MPa)
input 35 C (95 F)
Q1 110Vx880A (41 l/min,0.5MPa)
D
30 K (18F)
Q2 110Vx880A (42 l/min,0.5MPa)
HES D 233Vx1100A PS (from Japan)
150 l/min+70 l/min(PS)
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Splitter 図面
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Q1 図面
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Q2 図面
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Dipole 図面
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HES の Tilt 例(7.5度)
1000
7 .5 ‹
( 1 : 40 )
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“Tilt method”のコンセプト(E01-011の例)
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
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Expected hypernuclear production rates
in the (e,e’K+) reaction
Calculated hypernuclear cross sections
Hypernuclear production rates
Target
12C
28Si
51V
Beam
Intensity
(mA)
30
Counts
per
100nb/sr/
hour
Q-free
K+ in
HKS(Hz)
48
340
Target
12C
30
21
11
12
LB

28Si
30
Hypernucleu
s
288
28
LAl
228
(Target thickness 100 mg/cm2)
51V
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51
LTi
L orbital
Cross section
(nb/sr)
s1/2
112
p3/2
79
p1/2
45
s1/2
56
p3/2
95
p1/2
57
d5/2
131
d3/2
111
s1/2
18
p3/2
41
p1/2
26
d5/2
52
d3/2
48
1s1/2
16
f7/2
32
f5/2
38
23
Motoba, Sotona
51
51 V spectra
Ti
and
L
L
Simulation
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KEK SKS data
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HES の磁石配置例
1.0 GeV/c
HES
HKS
0.6 GeV/c
New Splitter
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Drawing of the HES + HKS
HES
HKS
New SPL
Splitter TOSCA calculation
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12
LB
spectrum
12 B
L
•エネルギー分解能 : 半値幅750keV
反応分光としては世界最高
•(e,e’K+)反応の実用性を実証
•12LB 基底状態の束縛エネルギー:
原子核乾板のデータと一致
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
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30
解析方法
K+ arm : background(e+,p+,p)を除去。
散乱電子とのTrue coincidenceを選ぶ。
Beam RF 499MHz
2ns structure
Enge time(target)
Coincidence time= Enge time (target)SOS time (target)
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E89-009実験
~ 世界初の電子線によるハイパー核生成実験
○ 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 : < 0.6mA(for 12C)
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7
LHe
spectrum (theoryと比較)
0deg
O. Richter, M. Sotona, and J. Zofka
Phys. Rev. C43 2753 (1991)
10deg
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-BL(MeV) 33
Mass scale calibration (更新)
p(e,e’K+)L/S with CH2 target
Old tune : P e’ , dp/p(SOS)
P beam
一定
P0(SOS)
Beam stability 2x10-5
ビームの絶対値 ~10-4
Accidental coincidence
MHY - ML(MeV/c2)
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)
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ハイパー核とは?
ハイパー核 = 原子核 + ハイペロン (L,S etc.)
e.g. 12L B = 11B+L
新しい自由度 ~ ストレンジネス ~ を持った原子核
• 核内深部のハドロン一粒子軌道
- L 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)
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7
LHe
ハイパー核
6He
と L の束縛系
•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
BL(g.s), 準位構造等
理論計算:
Lの “glue-like role”の典型例
Hiyama et al.,
Phys. Rev. C53 2075(1997)
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7Li(e,e’K+)X
spectrum
O. Richter, M. Sotona,
and J. Zofka Phys. Rev.
C43 2753 (1991)
6He+L
threshold
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38
Jefferson Lab の紹介１
アメリカ東海岸
Virginia州 Newport News
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Jefferson Lab の紹介２
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Jefferson Lab でのハイパー核分光実験
Hall C
: E89-009
E91-016
E01-011
Hall A
: E94-107
PRL 90, 232502 (2003)
12 B, (7 He)
L
L
PRL 93, 242501 (2004)
3,4 H
L
先月終了
12 B, 28 Al, 10,11 Be, 6,7 He ….
L
L
L
L
終了
12 B, 9 Li, 16 N
L
L
L
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ハイパー核の生成方法
•中間子を用いたもの
(K-,p-) 反応 @ BNL-AGS
(p+,K+) 反応 @ KEK-PS
素過程
nK-  Lpnp+  LK+
Lab. cross
section at 0deg
5 mb/sr
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
g*p  LK+
2 mb/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
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電子線を用いたハイパー核分光実験のできる施設
唯一 : Jefferson Lab の超伝導連続電子線加速器
Duty factor
エネルギー幅
エミッタンス
最高エネルギー
最大電流
: 100%
: 2.5×10-5
: 2µm•mrad
：5.5 GeV
: 200 mA
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Jlab E89-009実験
~ 世界初の電子線によるハイパー核分光実験
特徴: K+, e’ ともに最前方で捕らえる
qe’=0deg
~ 仮想光子収量最大
qK=2deg ~ K+収量最大
Ebeam=1.721, 1.864 GeV
pe’=0.2~0.32GeV/c
pK=1.2GeV/c20%
Eg=1.4~1.6GeV → 素過程断面積最大
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/sec)が
ビーム量を制約、多量の偶然同時計数
Ibeam< 0.6 mA (for 12C 22 mg/cm2)
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電子ビーム
Jlab E89-009の実験セットアップ
Kaon arm : SOS spectrometer
SOS Spectrometer
Momentum
resolution : 5×10-4
-4
Resolution 5 x 10
Solid angle
: 6msr
Solid angle 9 msr(6msr with splitter)
Side View
+
K
Target
_
D
D
Q
Top View
+
K
_
D
Q
Splitter
Magnet
D
Electron
Beam
(1.645 GeV)
Target
Focal Plane
( SSD + Hodoscope )
Beam Dump
Electron arm : ENGE spectrometer
06/9/22JPS秋季大会@奈良女
Momentum resolution : 5×10-4
Solid angle
: 1.6msr
0
1m
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Jlab E01-011 で期待される成果
28 Al, 10 Be, 11 Be, 6,7 He ….
B,
L
L
L
L
L
に対する質量スペクトルが、
12
•<400 keV (FWHM) の高分解能
•高統計(E89-009の30倍の収量)
•高SN比(10:1)
Jlab E89-009 (e,e’K)
Jlab E01-011 (e,e’K)
で得られる。
12 B
L
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