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J-PARCにおける
ストレンジネス核物理
谷田聖（京都大学）
2008年6月25日セミナー＠筑波大学
ストレンジネスを持つ原子核
• 原子核：核子（陽子と中性子）の多体系
– クォークのレベルで見ると、アップ（u）とダウン(d)
→ p(uud), n(udd)
– クォークは実は6種類ある
u
d
c
s
t
b
• ストレンジネスを持った粒子
＝ハイペロン
L=(uds), S+(uus), X0=(uss),...
（注：s クォークはストレンジネス
－１を持つ）
• より広い原子核の世界へ
記法
A
L
Z
• A: バリオン数（核子とハイペロン全部）
• Z: 全電荷（陽子数ではない！）
• L: ハイペロン（L, S, Xなど）
• 例：
1. 3p + 3n + 1L  7LLi
2. 2p + 2n + 2L  6LLHe
3. 1p + 2n + 1X0
4 H （区別できない）

X
2p + 1n + 1X• 普通ハイパー核と呼ばれる
ハイパー核Chart
まだまだ未踏の世界
どんな物理？
• 新しい相互作用が現れる
– 核力の拡張 [SU(3)対称性]
– 核力も含めて、バリオン間に働く力を統一的に理解し、その起
源に迫りたい
– 伝統的な中間子交換模型で十分か？クォーク・グルーオンの
自由度が現れるのでは？
• ハイペロンの原子核中での性質は？
– ハイペロンは混ざりやすい
→ よりダイナミックなシステムへ
• 逆に原子核はどうなる？不純物効果？
– Lが入った原子核が縮む効果は実験的に検証されている
– 集団運動に変化？より高密度化？
J-PARCとは？
• J-PARC =
Japan Proton Accelerator Research Complex
• 50 GeVの陽子加速器を中心とした大強度加速器群
– 50 GeV×15 mA ＝ 750 kW
– KEK-PSの100倍、BNL-AGSの10倍の強度のビームを供給
– 世界で最も強力なK中間子のビームが得られる
→ 他の施設の追随を許さない研究が可能
• 現在茨城県東海村において建設中
– 2008年末には最初の50 GeV陽子ビームが出てくる予定
– 2009年からストレンジネス核物理の実験を行う予定
Tokai Site of JAEA
Feb. 2008
Feb. 2008
June, 2007
June, 2007
J-PARCでのプロジェクト一覧
• 物性・生命（中性子・μ）
• 核変換
• 原子核物理
–
–
–
–
–
ストレンジネス核物理
ハドロン分光  新しいハドロンの探索
陽子構造
高密度原子核物質
不安定核
• 素粒子物理
– ニュートリノ振動
– K中間子崩壊
– μ稀崩壊
• 24の実験提案のうち、9つがストレンジネス核物理
– すべてScientific approval, 7つがフル採択、4つはDay-1
– その他にPentaquark Θ＋探索実験（E19）がDay-1
S＝－２の世界
• 初めてhyperon-hyperon
相互作用が現れる
– ここがわからないとmulti
strangeness系に行けない。
• 非常にdynamicな
システムなのでは？
– Large baryon mixing?
質量差に反比例
– XN-LL-SSが混ざった状態
としてのHダイバリオン？
• ほとんどわかっていない
 J-PARCでの中心課題
B8B8 systems classified in the SU3 states with (l, m)
S
B8B8(I)
0
‐1
‐2
‐3
‐4
1E, 3O (P=symmetric)
―
(22)
NN(0)
NN(1)
LN
SN(1/2)
SN(3/2)
LL
XN(0)
XN(1)
SL
SS(0)
SS(1)
SS(2)
XL
XS(1/2)
XS(3/2)
XX(0)
XX(1)
3E, 1O (P=unsymmetric)
1
10
1
10
[(11)s+3(22)]
[3(11)s‐(22)]
(22)
(11)s+ 2 930(22)+ 2 1 2 (00)
3
(11)s‐ 10
(22)+ 12 (00)
3
(11)s+ 52 (22)
5
2
3
ｰ 5(11)s+ 5
(22)
1
3
3
(11)
－
(22)－
(00)
s
2
10
8
5
―
(22)
1
5
1
5
1
10
1
10
[(11)s+3(22)]
[3(11)s‐（22）]
(22)
―
(22)
(03)
―
1
2
1
2
[‐(11)a+(03)]
[(11)a+(03)]
(30)
―
(11)a
1
[‐(11)a+(30)+(03)]
3
1
[(30)‐(03)]
2
―
1
[2(11)a+(30)+(03)]
6
―
1
2
1
2
[‐(11)a+(30)]
[(11)a+(30)]
(03)
(30)
―
Ｈ-particle ( H-dibaryon )
flavor-singlet (00) state ( ストレンジネス－２, アイソスピン 0 すなわち
ΛΛ-ΞＮ-ΣΣ系の 1S0-state ) におけるカラー磁気相互作用の振る舞い
u
u
s
s
短距離斥力は現れず、
代わりにかなり強い短
距離引力になる！
d
d
u s
s
d
d u
コンパクトな６クォーク系の
新粒子が存在するのでは？
↓
３０年来，世界中の実験家が探索実験に奔走！
→ ・・・未だ発見されず。
ΛΛ系のすぐ上にある共鳴状態？
⇒ 依然としてストレンジネス－２の系における課題
採択された実験
E03： Measurement of X rays from X- atom
Spokesperson – K. Tanida (Kyoto)
E05: Spectroscopic study of X-hypernucleus, 12XE03
Be,
E05
via the 12C(K-,K+) reaction (Day 1 – 1st priority)
E07
Spokesperson – T. Nagae (Kyoto)
E07: Systematic study of double strangeness system
with an emulsion-counter hybrid method
Spokespersons – K. Imai (Kyoto)
K. Nakazawa (Gifu)
H. Tamura (Tohoku)
S=－2では3つの実験が採択された
E05 X核分光
Missing mass spectroscopy of 12C(K-,K+)X
 12XBe, 12LLBe
1.8 GeV/c
K- ビーム
大強度
1.2x106 K- /spill
(Phase-1)
Proton beam
30GeV-9mA
高純度
K-/p- ~6.9
X 系の重要性
• XN （有効）相互作用
– 例： XN  LL はどれだけ強いか？
• H dibaryonの存在と関連
• LL-hypernucleiにおいて、どれだけXNは混ざるか？
– One meson exchange 模型では交換相互作用が禁止
• 質量依存性はどうか？
• 中性子星への影響
– X- は負の電荷を持つので、中性子星では早く現れるかも
• XA 相互作用、特にその質量依存性が大事
– S- が重要であると考えられてきたが、核内で強い斥力を受け
ることがわかってきた。
XN相互作用モデルと
XA光学ポテンシャル
• One boson exchange (NHC-D, Ehime)
– odd state に引力  強いA依存性
• ESC04d*
– 3S1（T=0）に強い引力
SksPlus Spectrometer
PK+ ~1.3 GeV/c
40
~30msr
[msr]
30
20
10
2.7T(395A)
0
1.0
~1.5T
1.2
p [GeV/c]
1.4
1.6
1.4
1.6
2.5
Dp/p=0.12%
•
•
•
95°total bend
~7m flight path
Dx=0.3 mm (RMS)
高分解能： DE~ 3 MeV
dp [MeV/c]
2.0
1.5
1.0
0.5
1.0
1.2
p [GeV/c]
12C(K-,K+)12
XBe
spectra
calculated by W.S. potential
VX0 [MeV]
DEdet=0 MeV
states
-24 -20 -16 -12
s-state
[nb/sr]
0p3/2g 0s1/2
p-states
0p3/2g0p3/2
0p3/2g0p1/2
sum
P.Khaustov, et al.
Phys. Rev. C61(2000)054603
1-
215
168
123
81
[nb/sr]
0+
2+
2+
29
164
152
345
20
103
93
216
-
-
K.Ikeda, et al,
Prog. Theor. Phys. 91 (1994) 747 ;
Y.Yamamoto, et al,
Prog. Theor. Phys. Suppl. 117 (1994) 281
Expected
[counts/0.5MeV]
pX
12
XBe
Spectrum
VX= -20MeV
DE = 3 MeVFWHM
ビームタイム
1ヶ月
sX
光学ポテンシャル
の決定
VX= -14MeV
-BX [MeV]
E03 X原子のX線測定
• X-atom のX線を測る世界初の実験
– X-A の Optical Potential の直接測定
• Fe(K-,K+) 反応による X- 生成 → 静止 X- → X線測定
Fe target
K-
K+
XX ray
• 方法の確立を目指す
– 数多くのX線測定で、 XA相互作用の解明へ
– ダブルL核のg線分光にもつなげていきたい
実験の原理
• 原子 – 波動関数を精確に計算可能
• 1次摂動
DE   | X (r ) |2 U X (r )dr
– Optical Potential の形を仮定
すれば、1つの測定でその強さ
は決定可能。
– 数多くのデータがあれば、形も
決定できる。
– 1次摂動が良い近似でない場合
でもこれは成り立つ
• 直接測定できる（ただし主に周辺部にのみ敏感）
 X 原子核のSpectroscopy
• p-, K-,`p, S- に対して実績ある、強力な手法
Energy (arbitrary scale)
...
l=n-3
l=n-1 (circular state)
l=n-2
...
Z
nuclear absorption
...
...
X
Z
l (orbital angular momentum)
X ray energy shift – real part
Width, yield – imaginary part
X
ターゲットの選択
• Physics view: Batty et al. PRC59(1999)295
– あるX線に対して、最適なターゲットが存在する
• 始状態での吸収は十分弱い
• X線のエネルギーシフトと幅が最大 (~1 keV)
– n=3,4,7,9のそれぞれに対して、9F, 17Cl, 53I, 82Pbを提案
n:43
54
65
76
87
98
109
F(Z=9)
Cl(17)
Co(27)?
?
Y(39)?
?
I(53)
Ho(67)?
?
Pb(82)
131 (keV)
223
314?
?
394?
?
475
518?
?
558
• 最適なターゲット： Optical Potentialによって決まる
 最初の実験の前にはわからない
最初の実験では・・・
• 実験的な理由で決める  鉄を選択
– 生成率: A-0.62 （断面積がA0.38でスケール）
– Xの静止確率: 高密度（r~10 g/cm3）のターゲットが必要
(X- range: 10-20 g/cm2, bgct ~ 2cm)
– ターゲットによるX線の吸収: significant at large Z
 小さなZ（A)、でも高密度が必要
• 小池さんによる計算：鉄の n=6  5 遷移
– Woods-Saxon potential: -24 - 3i MeV
– Energy shift: 4.4 keV, width: 3.9 keV
– 静止 X- あたりの収量： 0.1 (核による吸収がなければ~0.4)
実験のセットアップ
K1.8 beamline of J-PARC
+
(K ,K )反応の測定
K-
K+
1.8 GeV/c
1.4x106/spill (4s)
• KEK-PS K2ビームラインで使われてきたもの
• Large acceptance (~0.2 sr)
X線測定： Hyperball-J
• ゲルマニウム検出器~40台
• PWO anti-Compton
• ピーク効率
– 16% at 284 keV
• 高レート耐性
– < 50% deadtime
• キャリブレーション
– In-beam, frequent
– 精度 ~ 0.05 keV
• エネルギー分解能
– ~2 keV (FWHM)
予想X線スペクトル（1）
n= 65
shift & width
4 keV
エネルギーシフト:
~0.05 keV
(systematic
dominant)
 予想されるシフトに
対して十分
予想X線スペクトル（2）
n= 65
shift & width
0 keV
幅: ~ 1 keVくらいまで
は直接測れる。
X線の収量から、さら
に情報
E07 Hybrid Emulsion実験
~10000個のX-を原子核乾板中に静止
100個のLL核の検出  LL相互作用
LL核の生成
Xp  LL が運良く
核内に残る（~10％）
エマルジョン中のイベントの例
• 各軌跡の長さ・太さ
– 粒子の種類・エネルギー
• 各バーテックスで何ができ
たかを推定
• ハイパー核の束縛エネルギ
ーを出す。
DBLL = BLL - 2BL
がLL相互作用による分
→ 弱い引力？
LL束縛エネルギーのsystematics
• DBLLは原子核によって違うかも知れない
– 例えば Hyperon mixing によって変わり得る
5
LLHe
6
LLHe
p
n
L
p
n
L
p
n
X
p
n
X
Suppress される
Enhance される
S＝－１の実験
• E10: Production of neutron-rich Lambda-hypernuclei with the
double charge exchange reaction
Spokespersons – A. Sakaguchi (Osaka), T. Fukuda (Osaka E. -C.)
• E13： Gamma-ray spectroscopy of light hypernuclei
Spokesperson – H. Tamura (Tohoku)
• E15： A search for deeply-bound kaonic nuclear states by inflight 3He(K-,n) reaction
Spokespersons – M. Iwasaki (RIKEN), T. Nagae (Kyoto)
• E17: Precision spectroscopy of kaonic 3He 3d2p X-rays
Spokesperson – R. S. Hayano (Tokyo), H. Outa (RIKEN)
• E18: Coincidence measurement of the weak decay of 12LC and
the three-body weak interaction process
Spokespersons: H. C. Bhang (Seoul), H. Outa (RIKEN), H. Park (KRISS)
• E22: Exclusive study on the LN weak interaction in A=4
L-Hypernuclei
Spokespersons: S. Ajimura (Osaka), A. Sakaguchi (Osaka)
S＝＋１の実験
• Pentaquark Θ＋は S=+1を持つ
– もし本当に存在するならば、S=+1での核物理ができる可能性
?
S=+1
Θハイパー核
• ハイペロンの相互作用をさらに拡大して、ΘN相互作用
を。
• Θとは何か、に対するヒントにもなる。
– 例えば、[D. Cabrera et al., nucl-th/0407007]によると、
Θ-KNのみを考慮したSelf-energy計算（早い話がK交換）
では、弱すぎて束縛しない。
– Θ-KπNを考慮すると、強い引力（～100 MeV）が得られる。
（N(1710)がNππに強くcoupleすることを考慮）
– 他にもいろいろなシナリオがあり得る。
• まあ、あるなら作ってみたい。
（K+,p）反応
• 素過程： d(K+,p)Θ
• 運動量移行：前方ではほぼ0にできる。
• 高分解能測定が可能
d（K+,p）Θ反応
• on-shell 近似
– ポストプレイによって、遅いKを供給。それが残りの核子と共鳴
を作るという2段階反応。
• 初段は pK+  pK+, nK+  pK0 の2種類
K
n
Θ
p
– 断面積 ∝ （quasi-free 反応の断面積）
×（フェルミ運動によって共鳴条件が満たされる確率）
• 一方で、0.1-0.5 mbという見積もりもある[nucl-th/0705.3965]
– K+ の原子核ターゲットによる吸収のデータをextrapolate
– Θが KpN とカップルすることによって生じるΘNKNNという効
果によるものと考えることができる。
– 原子核ターゲットでは、より顕著な効果
on-shell 近似での計算例
ds/dW×2π（mb/sr）
永廣さんによる
Γ=1 MeVだと、
～1 mb/sr（重心系）
cosθ（CM系）
実験セットアップ
• 前方スペクトロメータ＋横方向カウンター
– 横方向の粒子に対しては、運動量分解能は不要、
– ただし、低エネルギー陽子を捕まえる工夫が必要。
to
SKS+
原子核ターゲットでは？
• 核子による散乱、別の核子による吸収の両方とも増加
• s-shell核（4He）ならrecoillessで効率よく生成可能
 dターゲットの場合と同じくらいの統計が得られる？
• Fermi運動が大きくなるので注意が必要。
• 重い核は難しいかも。
– バックグラウンド増加
– 崩壊後のp/K0が抜けて来なくなる。
– ただし、ΘNKNNが効くような場合は断面積が増加。
• ハイパー核の状態幅は？
– パウリ効果、phase spaceの減少によってfree-spaceよりも
細くなるはず。
– 逆に太くなったりすると面白い（ΘNKNNの効果？）
まとめ
• 現在建設中のJ-PARCにおいて、ストレンジネス核物理
はメインの研究テーマ
– ９つの実験が提案・採択済み
– 5つのDay-1実験
– さらに多くのアイデアが考えられている
• 世界最強のKビームを活かして、S=－２から＋１まで幅
広い実験が考えられている。
• 実験は2008年度末ごろから開始予定
• 今後もJ-PARCにおける発展が期待できる

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