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(e,e’K+)反応を用いたハイパー原子
核分光実験への散乱電子側スペク
トロメータHESの導入と成果
東北大学理学研究科
原子核物理
後神利志
E05-115 Physics motivation
2009年8-11月 at JLab
軽いΛハイパー核の精密測定
7Li(e,e’K+)7 He ,10B(e,e’K+)10 Be
Λ
Λ
– 中性子過剰ハイパー核
– 荷電対称性の破れ
– ΛN-ΣN カップリング
標的 : 7Li、9Be、10B、12C、52Cr
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
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)
E05 – 115実験のセットアップ
本講演
新設
20aBD – 3 永尾
7Li、9Be、10B、
12C、52Cr
解析状況
20aBD-4川間
第二世代実験E01-011と
第三世代実験E05-115の違い
• 入射ビームエネルギー
1.851  2.344 [GeV]
(VP energy = 1.5 [GeV])
• HES + new splitterの導入
VP flux増加  ハイパー核収量の増加
design value
e’ spectrometer
Enge (E01-011)
HES (E05-115)
Momentum [GeV/c]
0.35 ± 0.15
0.84 ± 0.30
Δp/p
4×10-4
2×10-4
Angular acceptance [deg]
3.7 – 5.7
3 - 14.5
Solid angle [msr]
5
7
Integrated
Virtual photon flux (12C )
1
(normalized)
8
実験データか
ら得られた値
から評価
Tilt法の導入
HESのevent source
• ハイパー核生成に関係した電子
• HES側のバックグラウンド
– 制動放射起因の電子
– Møller散乱起因の電子
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
Tilt法の概略図
e’ rate
第一世代
200 [MHz]
第二世代
1 [MHz]
HES側粒子検出器
Reference plane
1 layer
<10 [MHz]
400 [kHz]
最下流から撮ったHES側
粒子検出器の写真
configuration
e’
EDC1
xx’uu’(+30deg)xx’vv’(-30deg)xx’
100 ×12 ×30 cm
EDC2
uu’(+30deg)xx’vv’(-30deg)
120 × 30 × 2 cm
EH1,2
29 – segment , H6612 , EJ-230
117 × 30 × 1 cm
EH3
1 – segment , H7195 , RP-408
127 × 3.8 × 3 cm
EHODO1
counter ID
HES側粒子検出器の分解能(実データ)
TOF [ns]
EDC1 、 EDC2の
位置分解能 σ = 220 [μm]
HESの運動量分解能は設
計通り(2×10-4)
TOF [ns]
EHODO1 & EHODO2間の
TOF分解能 σ = 360 [ps]
改善の余地あり
実データから評価したVirtual photon flux
VP flux
三重微分断面積 :
QFの断面積
HKSの立体角
QFの計数率
実際の値
QF
アクシデンタル
第二世代実験E01-011の7.3倍
(デザイン 8倍 )
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の導入
– 粒子検出器
• EDC1,2 位置分解能 σ=220 [μm] 期待通りの運動量分解能
• EHODO1,2 TOF分解能 σ=360 [ps]
– 実データからVP Fluxが第二世代実験と比較して~7.3倍
HESが設計通り機能
Backup
Reference plane における粒子の分布
y’ [rad]
x’ [rad]
CH2 run
CH2 run
y [cm]
y’ [rad]
x’ [rad]
x [cm]
Simulation
2015/10/1
x [cm]
Simulation
y [cm]
Tilt角の最適化
Figure of Merit (FoM)
• 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
6.5o
第三世代実験E05-115 セットアップ
3°~ 14.5°
1°~ 14°
新設
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
実データのQFの
数からの見積も
り
30 [/hour]
E05-115実験
• 米国・ジェファーソン研究所において8 – 11月に実験を行った。
• より重いΛハイパー核の研究のために
HES + New splitterの導入
• 使用標的
7Li、9Be、10B、12C、52Cr
較正用：CH2、H2O
• ビームエネルギー
1.851  2.344 [GeV]
Λ
半値幅5.4 [MeV]
Σ
スペクトロメータが機能
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
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
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
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)
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]
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
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
素過程
e+p --> e’+Λ+K+
•
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
エンリッチ標的
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])
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
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
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
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
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)
y’ [cm]
HESの標的における粒子の分布
CH2 run , L selected
CH2 run , L selected
come from
bad channel
y’ [cm]
x ’[cm]
シミュレーション, L source
シミュレーション, L source
2015/10/1
Momentum[GeV/c]
x ’[cm]
Momentum[GeV/c]
TOF (esnt2 – esnt1)
EH1 ID – EH2 ID
• Odd number counter’s TOF have long tale
TOF (esnt2 – esnt1)
EH1 ID – EH2 ID
• EHODO2 – 17, 19, 21, 23, (25, 27, 29) are bad
Discriminator ? , ECL cable ? , TDC slot?
EHODO hit pattern
K+
K+
coincidence time
17
19
21
23
25
event loss  EH2 bad channel should be excepted
TDC of EHODO
EHODO1
EHODO2
multiplicity –EDC
2015/10/1
multiplicity –EHODO
2015/10/1
multiplicity -KDC
2015/10/1
multiplicity -KHODO
2015/10/1
multiplicity –AC,WC
2015/10/1

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