PowerPoint プレゼンテーション

BL31LEP レーザー電子光Ⅱビームライン

中間報告（2011年2月 ~）

與曽井 優 （大阪大学核物理研究センター）

成果及び今後の計画 （研究課題、内容、現状、今後）

－ LEPS2プロジェクト

－ BGOegg実験

・

η’中間子原子核の探索

・液体水素標的を用いた核子励起共鳴状態の研究

－ ソレノイド・スペクトロメータの検出器開発

－ 今後の予定

レーザー電子光Ⅱビームライン（BL31LEP）専用施設審査委員会 2016年3月4日

目的： 物質の基本粒子であるバリオン及びメソンの構造とそれらの間に働く力をその構成 要素であるクォークのレベルで理解する。 クォーク核物理を新たに展開する。 方法： スピン・パリティが1- の仮想的なベクターメソンビームであるレーザー電子光ビーム を高性能化し、 通常のハドロンのみならず、ペンタクォークを始めとするエキゾティック ハドロンやバリオン・メソン共鳴状態の生成及び崩壊過程を同時に精密測定する。 レーザー電子光ビームの利点 • 前方測定を可能にするクリーンなビーム。 ペンタクォーク探索 • u/d/sクォーク対に対して“フレーバー・ブラインド”に結合。 隠されたストレンジネス成分の研究 • 原子核を壊さずに、その深部に到達できる。 核物質中でのハドロンの性質の変化の研究 • 反応の過程で交換されるバーチャル中間子のパリティがわかる。 グルーボール探索 LEPSで萌芽した、物理、技術、体制の継承と発展  ビームの大強度化  ビームの高エネルギー化  検出器の大立体角化  国際共同研究体制の強化

LEPS2 Project

BL33LEP(LEPS)とBL31LEP(LEPS2)の比較

LEPS (BL33LEP) LEPS2 (BL31LEP)

Tagged  Energy E_>1.5 GeV E_>1.3 GeV

Tagged  Beam Intensity

2-Laser Injection

2106 _cps

Max. 4-Laser Injection ≾107 _cps

Detector System Charged Spectrometer with Forward

Acceptance

Covering Large Solid Angles

BGOegg / Solenoid

Max. E_ is 2.4/2.9 GeV. (UV/DUV Laser Injection)

3

BGOegg実験の目的

•

光子に崩壊するハドロンの検出

－ 

0



₂



、





₂



_{/ 3}



0

、







0



、



’



₂



_/



0



0

、etc.

原子核標的

－ 原子核密度におけるカイラル対称性の部分的回復の信号

（質量起源の研究）



’中間子原子核の探索



中間子の媒質効果

液体水素（重水素）標的

－ バリオン励起共鳴状態の研究

－ 核子からの中間子光生成機構の解明



生成、



生成の偏極非対称度

大立体角電磁カロリメータ BGOegg

24 36 Photon Beam target

Positron beam test with 5 x 5 BGO crystals at ELPH

1.3% energy resolution @ 1GeV 3.1 mm position resolution @ 1GeV

Incident Energy [MeV] Incident Energy [MeV]

En e rg y R e so lu ti on E /E P o si ti o n Reso lu ti o n [m m ] central peripheral 6 e+ _beam at ELPH 5 x 5 BGO crystals Scintillating Fiber Hodoscopes • 1320本のBi₄Ge₃O₁₂結晶を‘卵型’に組み上げたガンマ線検出器 (60本の結晶でできたリング が前方 13層 + 後方 9層 あり、 極角 24144 を覆う。 • 結晶の長さ = 220 mm (20X₀)、 ESR包装 & 自重で卵型を保つ。 • BGOegg内側には、荷電粒子識別のために円筒ドリフト チェンバー (CDC) & プラスチックシンチレーターを設置。

BGOegg実験のセットアップ



BGOegg

Inner Plastic Scintillator (IPS) Drift Chamber (DC) Resistive Plate _{Chamber (RPC)} Cylindrical Drift Chamber (CDC)

Target ( C, LH2) 6.8 z=0 m 1.28 m E949 -counter E949 -counter 2 m (Vertical) x 3.2 m (Horizontal) 6.8 z=12.5 m 21 21 E949 Magnet z=1.6 m Upstream Charge Veto Counter 7

BGOegg の覆う角度範囲：24<<144. 荷電粒子も大立体角で測定(RPC, DC, IPS, CDC, BGOegg). 前方陽子の運動量（速度）は RPC-TOFによって測定。(<7).

forward proton

液体水素標的

4KGM冷凍機による液化

標的セル：厚さ4 cm、125 mm UPILEXフィルム ノーズの材質：CFRP (BGOeggの見込む範囲）

Resistive Plate Chamber (RPC)

• 狭いガスギャップ→ σ < 20 ps の高い時間分解能

• 高抵抗板、高電気陰性度(フロン,SF

₆

)のガス

→ 放電を抑えたオペレーション

• 複数のギャップ→十分な検出効率、高い時間分解能

• 2000年頃～TOF検出器として使用 (日本ではLEPS2が初)

RPC-TOF 高時間分解能飛行時間検出器

• 8 strips / module, 5 gaps x 2 stacks

• A wall of 32 modules (

3.2 m



2 m

)

• z-position from target =

12.5 m

•



_TOF



80 psec

relative to RF.

• The momentum resolution is com-

parable to that of LEPS spectrometer.

momentum resolution 1% @ 2 GeV/c

3.2 m

BGOegg performance

2光子の不変質量分布

（



0

_、



_、



’ の質量分解能は、それぞれ 8.7 MeV、22 MeV, 28 MeV）

RPC performance



missing energy [MeV]

c

o

u

n

ts

proton missing mass [MeV/c2_]

proton e

0 _or  _{detection at BGOegg}

TOF measurement at RPC   𝑷 = 𝑴𝒑 𝟏 − 𝟐

assuming proton rest mass

Transverse momentum balance in BGOegg and RPC

Data summary

Period Target

Integrated # of ’s (tagged E_ region) = tagger counts  dead time corr.  DAQ

eff. corr. 2014A (Apr.July) Carbon/CH₂ [20 mm] C: 1.311012_{, CH} 2: 1.581012 with RPC (In total, C: 4.291012_{, CH} 2: 2.561012)

Test sample for ’-mesic nuclei search

2014B

(Nov.Feb.) LH2 [40 mm]

Hori: 2.241012 _{, Vert: 2.01}₁₀12

N* _{physics, etc (with spin observable)} 2015A

(Apr.July)

Carbon

[20 mm]

9.771012 _{(Vert: 8.97}₁₀12₎

’-mesic nuclei search

2015B

(Sep.Dec.) LH2 [40 mm]

About 1.6  2014B (Vert. & hori. half by half)

More data for p reactions

2016A



’中間子原子核の探索

•

Nambu-Jona-Lasinio 模型

に基づく理論計算では原子核密度で

150 MeV

の質量減少。 同様に

80 MeV

の質量減少が

線型シグマ模型

に基づく理論計算で予言されている。（カイラル対称性の破れの部分的

回復とUA(1)量子異常の解消。） 



’ は原子核中に束縛される？

• 12

_C(



_{, p) 反応の欠損質量分布で}



’ 束縛状態を探す。

束縛された



’ は



’ N



N転換を起こすと考えられる。



を検出することに

よってS/N比を上げる。

H. Nagahiro et al., PRC74 (2006) 045203. ₀ M -150MeV E_ex-E₀ (GeV)

Individual bound level cannot be seen after smearing _MM  20 MeV.

解析の現状（



_{’中間子原子核）}

3π

0

_{invariant mass}

• 3 neutral cluster

combinations minimizing

• η -> 3 π

0

-> 6γ decay mode • BGOegg cluster = 6 or 7

3π0 _{InvM (MeV)}

2γ InvM (MeV)

Energy

re-calculate

sigma _8.0±0.1MeV (PDG:547.9MeV)

η tag (3σ) side band (3-6σ)

Choose best π

0

_combination

small combinatorial

(multi π) BG

mean 548.0±0.1MeV

110-160MeV

2γ invariant mass

BGOegg による



タギング

解析の現状（



_{’中間子原子核）}

• γ +

12

_{C -> p + X Missing mass}

Mx – M

_11B

- M

_η’

η tag

(signal region

masked)

missM_’(MeV)

ηX(ηπ,ηππ)

secondary η

MC simulation

missM(MeV)

multi π

signal

total

_{hard to see}

signal shape by

only tagging η

side band

cos (opening angle

of η-charged)

-200 < MisM <200MeV masked

no events in < -0.9

cosOpen

detect a charged

particle by BGOegg

To reduce background  back-to-back ηp tagging

BG : ~20 events

(90% C.L.)

2015A full data



、



_{光生成の beam asymmetry}

S

(LH

₂

)

𝑑𝜎 𝑑Ω

=

𝑑𝜎 𝑑Ω 0

1 − 𝑃

𝛾

Σ cos 2𝜙

𝜙

𝛾

𝜂

p

𝑃

𝛾

: beam polarization

Σ : beam asymmetry

𝜙 : the angle between reaction plane



光生成の photon beam asymmetry

S

𝑠[GeV] 𝑠[GeV] 𝑠[GeV] 𝑠[GeV] −0.2 < cos 𝜃_𝑐𝑚𝜂 < 0.2 −1.0 < cos 𝜃_𝑐𝑚𝜂 < −0.6 −0.6 < cos 𝜃_𝑐𝑚𝜂 < −0.2 0.2 < cos 𝜃_𝑐𝑚𝜂 < 0.6

Σ

Σ

_Σ

Σ

√s dependence

汎用多粒子測定用ソレノイド・スペクトロメータ

K-

-

+

p E949 Solenoid Magnet

size: Φ_5m×3.5m weight: 400 t Field: 1.0 T

pK

s

不変質量で同定

Fermi運動の補正不要

1st _{priority 実験}

Q

+

_探索：

𝛾 +′ 𝑛′ → 𝐾− + Θ+ → 𝑝 + 𝐾0 → 𝜋+ + 𝜋−

γ ‘n’ → K

Θ

→ K

K

_s

p → K

π

π

p (MC)

K

-

π

p

LEPS1

CLAS

LEPS2

• Detect K- in large angular region.

• K

-

_{ID in p < 1.4 GeV/c.}

• Protons go forward (DC region).

• Pions go mostly backward (TPC region).

• Displaced vertex of K

0

s

→ π

+

π

-

helps event

selection.

• Search for Θ

+

_{in invm(K}

0

s

p).

• Charge of K

-

_{identify strangeness.}

E

_γ

= 2.4 GeV

Expected invariant mass resolution

ベクトルK*(890)中間子を伴う Λ(1405) 光生成

（E

_

_

_max

= 2.9 GeV ビームが必要）

飛跡検出 TPC: 製作完了。 読出しボード試作OK DC: 3台製作済。4台目設計中。 （1台BGOegg実験で使用） 新TDC（SiTCP読出）製作中。 SSD: 設計中。高速読出しのテスト。 トリガー、粒子識別 SC: 設計済。ELPHでテスト予定。 RPC: 2 m プロトタイプ製作・試験。 DRS4-HRTDCの試験。 AC：プロトタイプ製作・試験。 光子検出 Barrel : ライトガイドの修理完了。 性能試験。 検出器フレーム（設計ほぼ終了。） 磁石内にレール設置。

各検出器の現状

Time Projection Chamber (TPC)

有感領域： 有効径 1120 mmΦ、 有効長 ~650 mm 読出し部： ６角形状、 陽極芯線によるガス増幅 PADサイズ： 4 mm x 10 mm PAD層： 24層（5+1+9+2+1+1+5）、 ~12,000 チャネル ガス： Ne ベースガス 筐体材料： CFRP 全体サイズ： 外径1600 mmΦ、 長さ ~800 mm 読出し回路： 専用[FADC + ASIC]ボード （RCNPオリジナル）。



=130

m

m

XX’UU’VV’ 6 planes

Size:

f

1600

effective area:

f

1300

anode-cathode: 8 mm

Drift Chamber (DC)

Inner start counter (SC)

TPC Inner Layer TPC Inner Layer

X-Y plane

X-Z plane (z: beam axis)

Target SSD

Requirement

- Select RF signal.  t < 300 ps - Inside magnetic field.  MPPC

- Minimize the distance btw Target and SSD - Cover the angle from 0 – 120 degree

- MPPCs were purchased. Test at ELPH in early next year.

Three types of SCs

(①Downstream, ②Upstream, ③Forward)

①Upstream SC ② Downstream SC ③ Forward SC 10 0 m m 200 mm 200 mm 3mmt

Aerogel Cherenkov Counter (AC)

RPC-TOF では分けられない高運動量(> 1 GeV/c）の



とKを分離。

発光閾値

downstream upstream 2014. 09. 27 2015. 3. 13 2014. 08. 01 >1/2 broken 1/3 broken repaired

138 (in total)

light guides

repaired.

Barrel



（サンプリングカロリメータ）

BNLからSPring-8 へ輸送。インストール後、剥がれていたライトガイドの修理

Barrel



の

Cosmic ray test

☆SetUp

m

☆Time Resolution ☆Attenuation Legth

ソレノイド・スペクトロメータのタイムテーブル

cf.) これまでLEPS2（BGOegg/Solenoid）の検出器開発に関係した

研究で15人の学生が修士の学位を取得している。

今後の予定

•

2016年度は標的を液体重水素標的にして、BGOegg実験を

継続し、中性子からの光生成による核子励起共鳴状態等の

研究を行う。

•

2016年度末～2017年度はソレノイド・スペクトロメータ用の各

検出器の磁石内へのインストールを順次行い、主要検出器

（TPC、DC、SC、RPC）が稼働可能となった時点で順番に

コミッショニング・ランを開始する。

•

2018年以降、ソレノイド・スペクトロメータを用いて実験を行い、

ペンタクォーク

Q

+

やハイペロン共鳴状態

L

_{(1405)を中心とした}

研究を推進していく。

•

実験と並行して、既に取得したデータの解析を進め、2016年

度後半には最初の物理成果の公表を目指す。その後、順次

結果を公表していく。