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
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