Transcript 1 - 東北大学 大学院理学研究科 物理学専攻 素粒子・核物理講座 原子核

電子ビームを用いた中重Λハイパー
核分光実験JLab E05-115のための
散乱電子スペクトロメータの開発
東北大学理学研究科 物理学専攻
後神利志
平成21年
目次
• はじめに
– Λハイパー核の研究
– JLab Hall-Cにおける(e,e’K+)反応を用いたΛハイパー核
分光実験
• HESの導入
– Tilt法
– シミュレーションによるHESの性能評価
– HES側粒子検出器
• データの解析
– CH2標的
– 52Cr標的
• 実データのQFの数から導いた、 52ΛVの予想スペクトラム
• まとめ
Λハイパー核の研究
• ハイパー核とは
ハイペロン(sクォークを含むバリオン)が束縛された
原子核
Λハイペロン
u
d
s
• Λハイパー核研究の意義
– ハイペロンは核子からのパウリの排他律を受けない。
核子で占められている深い軌道に束縛可能である。
原子核深部を探るプローブとして有用である。
Λ
• ハイパー核を生成する反応
– (K-,π-)
– (π+,K+)
– (e,e’K+)
KEKやBNL
JLab
ハイパー核
(e,e’K+)反応
•
物理的な利点
• 運動量移行大深い軌道に束縛可能
• Spin-flip と Spin-non flip
• 陽子をハイペロンに変える反応
•
実験的な利点
• 高品質な1次電子ビームが利用可能
• 強度の強いビームを利用可能
薄い標的
エネルギー分解能 良
素過程
e+p --> e’+Λ+K+
e’もK+も共に前方にピーク前方検出の必要性
(e,e’K+)実験の加速器に対する要求
加速器に対する要求
(e,e’K+)実験E05-115
1.
2.
3.
散乱電子とK+中間子の同時測定
反応断面積 小 ( ~100 [nb/sr] )
高いエネルギー分解能 (~400 [keV] )
1.
2.
3.
duty factor 高
ビーム強度 大
エミッタンス 小
エネルギーの分布幅⊿E/E 小
これらを提供する唯一の加速器
JLab 連続電子線加速器CEBAF
Hall C
CEBAFの概略図
Maximum beam energy
6.0[GeV]
Maximum beam intensity
200[μA/Hall]
Beam emittance
~2 [mm・μrad]
Beam energy spread
<1×10-4
Beam bunch interval
~2[ns] (499[MHz])
JLab・Hall-Cにおける(e,e’K+)反応を用いた
Λハイパー核分光実験
第一世代実験
E89-009 (2000年)
第二世代実験
E01-011 (2005年)
第三世代実験 8月-11月
E05-115 (2009年)
SPL + Enge + SOS
既存のスペクトロメータ
SPL + Enge + HKS
+Tilt法
new SPL + HES + HKS
+ Tilt法
ビームエネルギー
1.8 [GeV]
1.8 [GeV]
2.344 [GeV]
測定したハイパー核
12
7
エネルギー分解能
(FWHM)
750 [keV]
470 [keV]
標的, 厚さ
ビーム強度
12C,
22 [mg/cm2]
0.66 [μA]
12C,
100 [mg/cm2]
20 [μA]
12C,
ハイパー核の収量
(12ΛB g.s.)
0.36 [/hour]
6.4 [/hour]
30 [/hour]
S/N (12ΛB g.s.)
0.6
1.6
解析中
e’ 計数率
200 [MHz]
1.0 [MHz]
1.7 [MHz]
構成
ΛB
ルミノシティ137倍
12
28
ΛHe, ΛB, ΛAl
7
9
10
ΛHe, ΛLi, ΛBe,
12 B,52 V
Λ
Λ
400 [keV]
112.5 [mg/cm2]
27 [μA]
(実データのQFの数からの見積もり)
1/200
目次
• はじめに
– Λハイパー核の研究
– JLab Hall-Cにおける(e,e’K+)反応を用いたΛハイパー核
分光実験
• HESの導入
– Tilt法
– シミュレーションによるHESの性能評価
– HES側粒子検出器
• データの解析
– CH2標的
– 52Cr標的
• 実データのQFの数から導いた、 52ΛVの予想スペクトラム
• まとめ
第三世代実験E05-115 セットアップ
3°~ 14.5°
1°~ 14°
新設
HESの導入の利点
1. QQDという磁石構成
粒子収束の自由度 大
2. 角度アクセプタンス 大
3. HKSとのマッチング 良
4. ビームエネルギー( 中心運動量~1.0 [GeV/c] ) 増
バックグラウンドがより前方に集中
より前方を検出
•ハイパー核の収量 増
•52Cr標的
HESのバックグラウンド
• ハイパー核生成に関係した電子
赤
• HES側のバックグラウンド
– 制動放射起因の電子 緑
– Møller散乱起因の電子 青
モンテカルロシミュレーションでそれ
ぞれ150000イベント生成させた
バックグラウンドである、0o方向に集中す
るMøller散乱・制動放射起因電子を避け
るTilt法を導入
e’ rate
Tilt法の概略図
第一世代
200 [MHz]
第二世代
1 [MHz]
Tilt角の最適化
Figure of Merit (FoM)
•
•
•
6.5o
ハイパー核生成に関与した電子の計数率 S
Mφller散乱起因電子の計数率 NMφller
制動放射起因電子の計数率 NBrems
シミュレーションによる計数率の見積もり
Target
e’ rate [kHz]
10B
480
12C
558
52Cr
1780
ビーム強度 30 [μA] , 100 [mg/cm2] を仮定
シミュレーションによるHESの性能評価
•
•
•
•
角度アクセプタンス
運動量アクセプタンス
立体角
ハイパー核の収量
角度アクセプタンス
入射電子ビームのエネルギー
1.851 2.344 [GeV]
•バックグラウンドがより前方に集中
アクセプタンスをより前方へ
第二世代実験E01-011
•HESの角度アクセプタンスが広い
ハイパー核の収量が増加
第三世代実験E05-115
Ei=2.344,ω=1.5[GeV]
運動量アクセプタンス
52
ΛV
g.s.
測定するハイパー核の生成領域を広
くカバーするように設計した。
HKSとHESの運度量の相関
立体角
•
•
•
一様に生成した全粒子の数をNGen
一様に生成した全粒子の立体角をΔΩGen
HESの最下流まで通過した粒子の数をNpass
立体角 ~6.5[msr] w/ splitter
Λハイパー核収量 の見積もり
ビーム強度 30 [μA]
標的の厚さ 100[mg/cm2]
断面積 100[nb/sr]
第二世代実験
E01-011
第三世代実験
E05-115
HKS+Enge+splitter
Tilt 法
Ee=1.851 [GeV]
HKS+HES+new splitter
Tilt 法
Ee=2.344 [GeV]
7Li
21.5 /hour
64 /hour
10B
12 /hour
44 /hour
12C
12 /hour
37 /hour
52Cr
-
9 /hour
Target(100mg/cm2)
実データ
3~4倍
HES側粒子検出器
Reference plane
e’計数率<4 [MHz]
最下流から撮ったHES側
粒子検出器の写真
ドリフトチェンバー
ハニカムセル型ドリフトチェンバーEDC1 (10面)
第二世代実験でも使用
EDC1
レイヤー構成
xx’uu’(+30deg)
xx’vv’(-30deg)xx’
セルサイズ
5 [mm] (ハニカムセル)
ガス
Ar-C2H6 50/50
位置分解能(x,y) (rms)
86 [μm] , 210 [μm]
LNS(現東北大学電子光理学研究センター)におけるテスト
の結果
ドリフトチェンバーEDC2 (6面)
EDC2
レイヤー構成
–
レイヤーの構成
–
–
セルサイズ
–
–
ガス–
uu’(+30deg)xx’vv’(-30deg)
uu’xx’vv’
有効体積
30H×120W×2T [cm]
アノードワイヤー 金メッキタングステン(φ30[μm])
カソードワイヤー Cu-Be (φ60[μm])
セルサイズ
5[mm]
位置分解能
σ=310[μm] 2 6
位置分解能 (σ)
5 [mm]
Ar-C H
50/50
310 [μm]
第二世代実験における分解能
シンチレーション検出器
• シンチレーション検出器 EHODO1,2
– HES側のトリガーカウンター
29 low
high
各カウンター500[kHz]以下に抑えられる
ように設計した。
実験において、52Cr標的(ビーム強度
~8[μA])を用いた際、高い計数率のカウン
ターで~400[kHz]
• シンチレーション検出器EHODO3
– Time-zero を合わせるカウンター
実データのEHODO1の粒子
のヒットパターン
1
目次
• はじめに
– Λハイパー核の研究
– JLab Hall-Cにおける(e,e’K+)反応を用いたΛハイパー核
分光実験
• HESの導入
– Tilt法
– シミュレーションによるHESの性能評価
– HES側粒子検出器
• データの解析
– CH2標的
– 52Cr標的
• 実データのQFの数から導いた、 52ΛVの予想スペクトラム
• まとめ
Missing mass
• ハイパー核の質量MHY
M2HY = (Ee + MT - EK+ - Ee’)2 - ( pe - pK+ - pe’)2
• Λ粒子の束縛エネルギー
-BΛ = MHY – Mcore - MΛ
• 標的における粒子運動量ベクトルの導出
reference plane における位置・角度 xf=(xf, xf ’, yf, yf ’)
p = F (xf)
モンテカルロシミュレーションにより導出する
コインシデンスタイムTcoin
Λ生成 + アクシデンタル
K+同定後
アクシデンタル
コインシデンスタイム
ビームの2 [ns]のバンチ
構造が見られる
CH2標的、52Cr標的のMissing Mass
Λ(Σ0)生成 + accidental
Λ
半値幅~4 [MeV]
CH2標的
Σ0
コインシデンスタイム
スペクトロメータが機能している！
52Cr標的
Quasi-freeイベントの数
36 [/hour]
見積もり161 [/hour]
•検出器のefficiency
•解析efficiency
52Cr(e,e’K+)52
ΛVの今後の解析で予想される質量スペクトラム
理論計算
P.Bydzovsdy ,photo- and electro production
of medium mass Λ-hypernuclei, 2008
実データにおけるアクシデンタルとQF
分布と数、理論計算によるハイパー核の
断面積をもとに作成した予想スペクトラム
• 今後
– 検出器のパラメータの最適化
– p = F(xf)の最適化
分解能の向上
まとめ
2009年8-11月にJLab・Hall-CにおいてHESを導入し、7Li、9Be、10B、12C、
52Cr標的を用いた第三世代ハイパー核分光実験E05-115を行った。
• HESの設計・導入
– Tilt法
– 入射電子ビームのエネルギー 増
バックグラウンドがより前方方向に集中
より前方を検出
シミュレーションにおいて、第二世代実験と比較するとハイパー
核の収量が3-4倍
• データの解析
– Λ、Σ0のピークを実験中に確認
 HESがスペクトロメータとして機能
Backup
実際の実験における典型的な計数率
Λの反跳運動量とビームの運動量の相関
VP と Brems.のFluxと散乱電子の角度
の関係
Ei=2.344[GeV],ω=1.5[GeV]
HESの中心運動量
• P(γ,K+)Λで生成断面積が最も大
きくなるのは仮想光子のエネル
ギーω=1.5[GeV]のときである。
ω=1.5[GeV]とする為には、
Ee’=Ee-ω
=2.344-1.5
=0.844[GeV]
この散乱電子のエネルギー領域
では、
E2e’ = m2e’+p2e’ ~= p2e’
とみなすことができる。
この為、HESの中心運動量は
0.844[GeV/c]をとることにした。
HKS側粒子検出器
トリガー
• HKS側
– TOFカウンターのみのトリガー
(CP)i=(KTOF1X)i×(KTOF1Y)×(KTOF2X)i
– WCとACのvetoで作るトリガー
(K)i=(WC)i×(AC)i
– (CP)iと(K)iのコインシデンストリガー
(HKS)i=(CP)i×(K)i
i:グループ番号
×:AND
＋:OR
• (WC)i=(WC1)i×(WC2)i
• (AC)i=2/3{(AC1)i×(AC2)i×(AC3)i}
• (AC1)i=(AC1)iTOP+(AC1)iBOT
• (AC2)i=(AC2)iTOP+(AC2)iBOT
• (AC3)i=(AC3)iTOP+(AC3)iBOT
上下のORの2/3
– HKSトリガー
HKStrigger=Σ(HKS)i
• HES側
• HEStrigger=(EHODO1)×(EHODO2)
• コインシデンストリガー
•
COINtrigger=(HKStrigger)×(HEStrigger)
ハイパー核の収量計算1
• N[/sec]=C[electron/cm2/sec]
・∬ΓdΩe’dEe’[/electron]・dσγ/dΩK[cm2/sr]
・ΔΩHKS・DecayK+
ここで、
C=( Beam intensity[A]/Elementary Charge[C/electron] )
・( Target Thickness[g/cm2]・Avogadro number[/mol]
/Target Mass[g/mol] )
----------------------------------------------------------------------------12Cの場合(112.5[mg/cm2]、26.8[μA]、5.9[C]、220000[sec]、
qf=34000、qfの断面積(仮定)1.5[μb]=1.5*10-30[cm2])
C=(26.8*10-6/1.6*10-19)・(0.1125*6.02*10*1023/12)
C=9.45*1035[electron/cm2/sec]
34000/220000=9.45*1035∬ΓdΩe’dEe’*1.5*10-30*0.01*0.326
∬ΓdΩe’dEe’=3.34*10-5
(12C標的のとき)
ハイパー核の収量計算2
• HESのコリメータの位置が52Cr標的のときと12Cのと
きで異なる。シミュレーションでこの効果を見積も
ると、
∬ΓdΩe’dEe’(52Cr)=3.34*10-5 *0.75
52Cr
12C
ハイパー核の収量計算3
• N[/sec]=C[electron/cm2/sec]
・∬ΓdΩe’dEe’[/electron]・dσγ/dΩK[cm2/sr]
・ΔΩHKS・DecayK+
ここで、
C=( Beam intensity[A]/Elementary Charge[C/electron] )
・( Target Thickness[g/cm2]・Avogadro number[/mol]
/Target Mass[g/mol] )
----------------------------------------------------------------------------52CrのQFの数の計算値
(154.0[mg/cm2]、7.6[μA]、qfの断面積(仮定)6.5[μb]=6.5*10-30[cm2])
C=(7.6*10-6/1.6*10-19)・(0.154*6.02*10*1023/52)
C=8.47*1034[electron/cm2/sec]
Nqf=8.47*1034*3.34*10-5*0.75*6.5*10-30*0.01*0.326
Nqf=4.50*10-2 [/sec]
Nqf=162[/hour] (52Cr標的の場合)
Time-zero adjustment
• ケーブルの長さの違いやモジュールの伝搬時間
の違いなどにより、各セグメントで時間情報がば
らばらであり、EHODOを面として扱えない。
ソフトウェアで時間情報をそろえる(T-zero
adjustment)
EHODO3を用いたT-zero adjustment
• EHODOを面として扱う
為に、
T1=T2=T3=・・・
となるようにソフトウェア
で時間情報を調整する
TOF[ns]
σ~450[ps]
e’
TOF[ns]
TOFn,n~=TOFn,n-1で
あると仮定す
る。
TOFn,n=TOF0（基準）
1. TOF0=TOFn,n-1
が成り立つよう
にパラメータを
合わせる
2. TOF0=TOFn-1,n-1
が成り立つよう
にパラメータを
合わせる
3. 1から2を繰り
返す
Counter ID
EHODO3を用いないT-zero adjustment
TOF
σ~420[ps]
TOF
Virtual photon 起因電子分布
第二世代実験E01-011
入射電子エネルギー1.851[GeV]
散乱電子0.35±0.15[GeV/c]
第三世代実験E05-115
入射電子エネルギー2.344[GeV]
散乱電子0.844±0.30[GeV/c]
• 入射電子のビームエネルギーが変化しても、ほとんど角度分布
の違いは見られない。
バックグラウンド1・Mφller散乱電子
第二世代実験E01-011
入射電子エネルギー1.851[GeV]
散乱電子0.35±0.15[GeV/c]
第三世代実験E05-115
入射電子エネルギー2.344[GeV]
散乱電子0.844±0.30[GeV/c]
• Mφller散乱とは電子-電子散乱のことである。
• 入射電子のエネルギーが大きくなることにより、角度分布が
前方により集中する。
バックグラウンド2・制動放射起因電子
第二世代実験E01-011
入射電子エネルギー1.851[GeV]
散乱電子0.35±0.15[GeV/c]
第三世代実験E05-115
入射電子エネルギー2.344[GeV]
散乱電子0.844±0.30[GeV/c]
• 入射電子のエネルギーが大きくなることにより、角
度分布がより前方に集中する。
第一世代実験E89-009（2000年）
•
スペクトロメータの構成
splitter+SOS+Enge
• 測定した主なハイパー核
12 B
Λ
• エネルギー分解能
~750[keV](FWHM)
(当時最高)
(e,e‘K+)反応を用いたハイパー核分光
実験が可能であることを証明した
第二世代実験E01-011(2005年)
•
スペクトロメータの構成
splitter+Enge+HKS
• 測定した主なハイパー核
7 He,12 B,28 Al
Λ
Λ
Λ
• エネルギー分解能
~400[keV](FWHM)
技術の確立
HKS建設エネルギー分解能向上
Tilt法の導入S/Nを劇的に改善
EDC1,2 spec
Singles rate
Prediction
Target
Beam
intensity(μA)
e’ rate (kHz)
7Li
15
280
10B
30
480
12C
50
930
40Ca
30
1620
52Cr
30
1780
Rate of HES arm
Target Beam
intensity(μA)
π+ rate (kHz)
K+ rate (kHz)
p rate (kHz)
7
5.4
0.07
7.6
Rate of HKSLi arm15
10B
30
44
0.16
33
12C
50
13
0.16
21
40Ca
30
3.2
0.03
4.9
52Cr
30
9.7
0.08
13
scintillator & PMT
E05-115で使用
したscintillator
E05-115で使用
したPMT
HESの構成
• EQ1、EQ2
– それぞれ縦収束、横収束の為の磁石で
あり、EDに入射する粒子が水平になる
ようにする。
• ED
– 運動量の異なる粒子を振り分ける。
ED1
Max. Field Gradient
7.8[T/m]
Max. Current
800[A]
Total magnet weight
2.8[ton]
EQ2
Max. Field Gradient
5.0[T/m]
Max. Current
800[A]
Total magnet weight
3.1[ton]
ED
Max. Field
1.65[T]
Max. Current
1065[A]
Total magnet weight
36.4[ton]
JLab・Hall-Cにおける(e,e’K+)反応を用いた
ハイパー核分光実験
• 第一世代実験E89-009(2000) : 12ΛB
スペクトロメータの構成 ・・・ Splitter + Enge+ SOS
エネルギー分解能は半値幅で750[keV]
既存のスペクトロメータで測定
(e,e’K+)反応を用いたハイパー核分光実験が可能であることを証明
• 第二世代実験E01-011(2005) : 7ΛHe,12ΛB,28ΛAl
スペクトロメータの構成 ・・・ Splitter + Enge(tilt) + HKS
エネルギー分解能は半値幅で470[keV]
HKS＋散乱電子スペクトロメータの配置の工夫(tilt法)
測定技術を確立
• 第三世代実験E05-115(2009) : 7ΛHe,9ΛLi,10ΛBe,12ΛB,52ΛV
スペクトロメータの構成 ・・・ new Splitter + HES(tilt) + HKS
Splitterも含めすべてこの実験専用のスペクトロメータ
軽～中重核の広い領域におけるハイパー核分光
ルミノシティ 200倍
e’側スペクトロメータの
singles rate
1/100
中重Λハイパー核の研究の動機
第三世代実験E05-115
(2009年)
第二世代実験E01-011
(2005年)
第一世代実験E89-009
(2000年)
中重Λハイパー核の精密測定
52Cr(e,e’K+)52 V
Λ
• s-、p-、d-軌道の束縛エネルギーや断面積
• Λの一粒子エネルギーの質量依存性
• l・s splitting ∝ 2l+1
Status
run76312(CH2)
hits
0
1
2
3
Almost only 1 hit
4
5
6~10
11~15
16~20
21~
2
Status
run77110(Cr)
hits
0
1
2
3
4
There are 1 and 2 hits.
5
6~10
11~15
16~20
21~
3