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2014年 5月16日 基礎物理学コロキウム HERMES実験における偏極深非弾性散乱を用いたクォーク・スピン測定 柴田研究室 14M01212 宮﨑 拓人 核子のスピン構造 HERMESスペクトロメータ FIEL D C L A MP S クォーク模型による予想 TRIGGER HODOSC OP E H1 m DRIFT C HA MB ERS 2 ・核子は基本的に3つのクォークから成る ・核子もクォークもスピンが1/2 2つのクォーク・スピンが核子と平行 陽子のスピン 1つのクォーク・スピンが核子と反平行 P RESHOWER (H2) DRIFT C HA MB ERS 1 27.6 GeV 140 mrad FC 1/ 2 P ROP . C HA MB ERS L UMINOSITY 27.5 GeV 0 beam しかし、EMC実験の結果 陽子のスピンに対するクォーク・スピンの寄与はたいへん小さい MONITOR TA RGET C EL L -1 HODOSC OP E H0 B C 1/ 2 140 mrad B C 3/ 4 STEEL P L A TE TRD C A L ORIMETER RIC H -2 つまり、陽子のスピン1/2は e+ MC 1- 3 MA GNET 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 m 縦偏極した27.6 GeVの陽電子（電子）ビームを 縦偏極した気体標的（水素、重水素）で散乱 ・ドリフトチェンバーにより粒子の飛跡を測定 ・マグネットにより曲率から粒子の運動量を測定 ・4種類の検出器（TRD、 preshower、カロリーメータ、RICH）により粒子を識別 深非弾性散乱（DIS）過程の散乱断面積を測定し、構造関数𝑔1 を導く 偏極深非弾性散乱（DIS）過程 核子のスピン構造を研究 ・レプトンと核子の散乱 ・レプトンと核子が仮想光子を交換（電磁相互作用）する ・核子の内部構造を探る有効な手段 HERMES実験 1次モーメントの導出 𝑙 𝑘 :レプトン 𝑁 𝑃 ：固定標的 𝑄2 𝑄2 𝑥≡ = (𝑄 2 ≡ −𝑞 2 ) 2𝑃 ∙ 𝑞 2𝑀𝑣 Bjorken スケーリング 変数 0.9 ・重陽子の統計精度が高い ・𝑥 ≤ 0.05以下で変化が小さい ・0.9 < 𝑥 ≤ 1の領域の積分も考慮 𝑥 𝑙 𝑘 + 𝑁 𝑃 → 𝑙 ´ (𝑘 ´ ) + X(𝑃𝑋 ) 𝑔1 𝑥 𝑑𝑥 0.0041 ≤ 𝑥 ≤ 0.9 および 0.18 GeV 2 ≤ 𝑄 2 ≤ 20 GeV 2 で測定 微分散乱断面積 非偏極 縦偏極 2 𝐹 𝑥,𝑄 𝑑 2 𝜎𝑈𝑈 (𝑥,𝑄2 ) 4𝜋𝛼 2 2 2 2 = 4 𝐹1 𝑥, 𝑄 ・𝑦 − 2 𝑑𝑥𝑑𝑄 𝑄 𝑥 𝑑 2 𝜎LL (𝑥,𝑄2 ) 8𝜋α2 𝑦 𝑦 𝑦2 2 2 = 1 − − 𝛾 𝑔 𝑥, 𝑄 1 𝑑𝑥𝑑𝑄2 𝑄4 2 4 1 𝜎𝑈𝑈 = 𝜎↑↓ + 𝜎↑↑ 2 1 𝜎𝐿𝐿 = (𝜎↑↓ − 𝜎↑↑ ) 2 𝑦 2 1− − − 𝑦2 2 𝛾 4 𝑦 2 𝛾 𝑔2 2 𝑥, 𝑄 2 ビームスピンと標的核子のスピンが 反平行(↑↓)と平行(↑↑)の場合を表す 𝐹1 , 𝐹2 ・・・非偏極構造関数 重陽子の構造関数の 1次モーメント + フレーバーSU（３）対称性 || ∆Σ = 0.330 ± 0.039 陽子のスピンに対するクォーク・スピンの寄与 33% 𝑔1 , 𝑔2 ・・・縦偏極構造関数 2 構造関数の𝑄 依存性は対数的であるため弱い 𝐹1 𝑥, 𝑄 2 , 𝑔1 𝑥, 𝑄 2 ⇒ 𝐹1 𝑥 , 𝑔1 𝑥 𝑥 重陽子の構造関数𝑔1 𝑥 の x から 0.9 までの積分値 将来計画 Callan-Gross の関係式 2𝑥𝐹2 𝑥 = 𝐹1 𝑥 𝜎𝐿𝐿 𝜎↑↓ − 𝜎↑↑ 𝑔1 𝑥 = スピン非対称度 A|| = が得られる 𝐹1 𝑥 𝜎𝑈𝑈 𝜎↑↓ + 𝜎↑↑ EIC ( Electron-Ion Collider ) ・初めての衝突型の偏極深非弾性散乱実験 ・ブルックヘブン国立研究所（BNL）と ・ジェファーソン研究所（JLab）で検討中 ・電子と核子の偏極深非弾性散乱（DIS）実験 ・および電子-重イオン散乱実験 クォーク・パートン模型 クォーク模型＋パートン模型＝クォーク・パートン模型 更に小さな 𝑥 の領域の研究が可能 ・ハドロンの内部にはパートンと呼ぶ点状の粒子がある ・高エネルギーでは、レプトンとパートンとの独立な反応の足し合わせ 構造関数とパートン分布関数 1 𝐹1 𝑥 = 𝑒𝑞2 𝑞(𝑥) 2 𝑞 ↑ ↓ 𝑞 𝑥 =𝑞 𝑥 +𝑞 𝑥 ↑ 1 𝑔1 𝑥 = 𝑒𝑞2 ∆ 𝑞(𝑥) 2 𝑞 ↑ ↓ ∆𝑞 𝑥 = 𝑞 𝑥 − 𝑞 𝑥 ↓ 𝑞 𝑥 、𝑞 𝑥 ・・・陽子スピンに平行(↑)と反平行 ↓ な クォークと反クォークの和 1 1 陽子（𝑝）の場合 + = (𝑎8 ± 3𝑎3 + 4𝑎0 ) 1次モーメント 中性子（𝑛）の場合 − 36 0 𝑎0 = ∆𝑢 + ∆𝑢 + ∆𝑑 + ∆𝑑 + ∆𝑠 + ∆𝑠 ≡ ∆Σ 𝑎3 = ∆𝑢 + ∆𝑢 − (∆𝑑 + ∆𝑑) クォーク・スピンの寄与 𝑎8 = ∆𝑢 + ∆𝑢 + ∆𝑑 + ∆𝑑 − 2(∆𝑠 + ∆𝑠) 𝑝,𝑛 𝑑𝑥𝑔1 (𝑥) 重陽子の構造関数の１次モーメントについても 𝑎0 、𝑎3 、𝑎8 の組み合わせで表せる HERMES実験とHERAおよびEICの 運動学的領域の比較 HERMES実験において 測定可能な運動学的領域 まとめ ・核子のスピンは1/2であり、EMC実験において陽子スピンに対する クォーク・スピンの寄与はたいへん小さいことが示された。 ・深非弾性散乱（DIS）は、仮想光子を交換する電磁相互作用により 散乱する過程である。 ・偏極深非弾性散乱を利用し、核子のスピンに対するクォーク・スピン ・の寄与を求める。 ・HERMESは偏極深非弾性散乱実験である。 ・HERMES実験では、 0.0041 ≤ 𝑥 ≤ 0.9 および 0.18 GeV 2 ≤ 𝑄 2 ≤ 20 GeV 2 の領域で測定され、陽子のスピンに対するクォーク・スピンの寄与は 33%であることが示された。 ・将来計画としてEIC ( Electron-Ion Collider )が検討されている。