陽子陽子弾性散乱 におけるシングル およびダブルスピン 非対称度の測定 KEK素核研 飯沼 裕美 1. Alekseev et al., Phys. Rev. D 79:094014, 2009. 2. H. Okada (Iinuma) et al., Phys. Lett. B 638, 450-454, 2006. Dr. Bunce 京都大学理学部 原子核ハドロン研究室 & 理研仁科センター 延與放射線研究室 2004年3月 2010/3/21 Hiromi Iinuma 1 本研究の二つの目的 1.陽子ビームの絶対偏極度測定 理研 深尾祥紀氏 22pBC-2 核談新人賞講演 RHICスピンプログラムの目玉の一例:Gluon 偏極度測定 1 N N G A LL 2 Pbeam N N PHENIXやSTARが測定 偏極度計が測定 しかし、従来の偏極度計は高速計測可能だが、測定中心値がオフセットを含み、 絶対値補正が必要! 目標: 2010/3/21 Pbeam Pbeam 5% Hiromi Iinuma 2 本研究の二つの目的 1.陽子ビームの絶対偏極度測定 2.測定原理となる偏極度能 AN の詳細理解 • • • 運動量移行(-t) が非常に小さく、Coulomb力と核力が干渉する (CNI) 領域 で AN のQED成分は極大になる。 しかし、核力のスピン依存性の精度の良い理論的知見がなく、 実験からも、技術の制限から良い知見がなかった。 AN A QED N A had N E704, FNAL s=19.7 GeV Phys. Rev. D 48, 3026 (1993) 1946年 Schwinger A 核力のスピン依存性? 2010/3/21 Hiromi Iinuma t ~ 0.003 (GeV/c)2 QED N 3 AN, ANNとヘリシティー振幅 pp弾性散乱は、反応前後のスピン状態、時間と空間の対称性および同一粒子で あることを考慮すると、5通りのヘリシティー振幅で記述できる。 1 ノンフリップ | M | | M | 実験結果豊富・Regge理 論でよく説明される。 2 2 s, t | M | -t 0 でゼロになる全断面積(-t =0) ダブルフリップ 8 4 s, t | M | tot Im s, t 5 s, t | M | Pomeron? s s 4m 2p シングルフリップ had d 4 2 | |2 微分断面積 N dt s 電磁気力+核力 モデルいろいろ。 em* had had* em A QED N A d 4 AN 2 Im 5 5 dt s A NN d 4 2 2 5had dt s 2010/3/21 Hiromi Iinuma 2 Re * had 2 0 ? Odderon? 4 内容 1. RHIC 偏極陽子加速器の紹介 2. 実験について • セットアップ • 解析(2004年データ) 3. 結果 • シングルスピン非対称度 AN • ダブルスピン非対称度 ANN (とT) • ビーム偏極度 2010/3/21 Hiromi Iinuma 5 RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in Brookhaven National Laboratory 1周 3.83 km 2010/3/21 Hiromi Iinuma 6 Hydrogen gas jet target system RHIC pp CNI 偏極度計 Pbeam=100 GeV/c O. Jinnouchi , I. Nakagawa Pbeam=21.7 GeV/c J. Tojo et al. PRL 89, 052302 (2002) • 偏極陽子ビーム • 100GeV/c 、55バンチ、1バンチあたり1011個 (2004年)、 • 加速・周回中は横偏極 (バンチ毎に任意のspinパターン ……)、 • ビーム加速に伴い、減偏極共鳴ポイントを何度も通過、 • スネーク磁石を各部分に設置。 • 既存偏極度計:pC弾性散乱偏極度計 AGS, RHIC両リングに各1つずつ、 • 高速オンライン測定 測定+解析時間合わせて1分程度、 2010/3/21 Hiromi Iinuma 7 • 測定結果にオフセットを含む 絶対偏極度計で要補正。 絶対偏極度計:陽子-陽子弾性散乱利用 前方散乱陽子 陽子ビーム A N t t arg et t 水素標的 t pout pin 2 0 反跳陽子 Pt arg et beam t Pbeam beam 1 beam Pbeam AN Pt arget target Pt arg et Pbeam Pbeam Pt arget i / i0 (i=beam 又は target) ならば、 実現のために・・・・ 高性能偏極水素ガス標的生成に成功 反跳陽子測定可能 、 t ~0.001(GeV/c)2 運動エネルギー0.6MeV まで計測できる、 弾性散乱イベント同定精度向上。 P 0.018 私が やった。 2010/3/21 i Hiromi Iinuma i t arg et Pt arget 0.924 8 2. 実験について • セットアップ 偏極水素ガス標的システム 反跳陽子検出器 • 解析 弾性散乱同定 バックグランド見積もり 2010/3/21 Hiromi Iinuma 9 偏極水素 標的 偏極水素ガスジェット 標的システム • 高さ:3.5 m • 重さ:3トン 反跳陽子 • RHICビームとの位置合わ せをするために装置全体 を x-軸方向に 10 mm 調整可能。 • ガス標的速度 156060 m/sec RHIC 陽子 ビーム y z x 2010/3/21 Hiromi Iinuma 10 H = p+ + e- |1> |2> |3> |4> 超微細構造 偏極水素ガスジェット標的システム 解離器 六極磁石 |1> P+ OR |1> |4> |2> P- |2> |3> 偏極水素原 子標的製造 装置 高周電磁波 遷移装置 (WFT, SFT) 標的偏極度 保持磁石 散乱槽 標的偏極度 測定装置 |1> |2> イオンゲージ 2010/3/21 六極磁石 イオンゲージ Hiromi Iinuma 校正用 2nd 高周電磁波 遷移装置 11 水素ガス標的の偏極度 水素原子の偏極度 水素原子の偏極度 95.8% 0.1% BRPで測定 H2, H2O 分子混入分を補正 (係数1.037で割る) 1 day Polarization cycle (+/ 0/ ) = (500/50/500) seconds 実験期間中、安定 ! 2010/3/21 Hiromi Iinuma Ptarget = 92.4% 1.8% Pt arget Pt arget 2% 12 標的のサイズ、厚み • 衝突点での標的サイズ FWHM = 6.9 mm 標的サイズ測定 RHIC-beam と 反跳 陽子検出器を使用 • 反跳陽子の角度分解能 5 mrad を保証。 • 2.0 mm diameter compression tubeを用いた 測定結果とも一致。 • ビームから見た標的の厚み (1.3 0.2 )1012 atoms/cm2 • ガス標的速度 156060 m/sec • ガス標的強度 (12.40.2)1016atoms/sec 設計値を達成。 2010/3/21 Hiromi Iinuma RHIC ビーム位置を固定 (直径 ~1mm). システム全体を1.5 mm ステップで動かす。 弾性散乱事象数の位置分布より、標的形 状を算出する。 13 反跳陽子検出器 (シリコン検出器) 偏極水素 標的 • 散乱槽の左右フランジに設置 上 • 弾性散乱点 (散乱槽中心)から 約80cm • 左右3ペア • 検出器スペック • 厚さ 約400m • 有効表面積 60mm 64 mm 反跳陽子 • 1チャンネル4mm幅 5mrad 反跳陽子 • 16チャンネル/シリコン1枚 y RHIC 陽子 ビーム x 左 2010/3/21 Hiromi Iinuma z 右 14 反跳陽子検出器(シリコン検出器) Ch#1 Ch#3 Ch#2 Ch#15 Ch#14 Ch#9 Ch#6 Ch#11,12 Ch#13 Ch#16 Ch#8 Ch#7 Ch#5 Ch#4 Ch#10 ch#1-16 source for energy calibration 241Am(5.486 MeV) R #16 ch#1 衝突点から約80cmのところにあ る左右のシリコン検出器が反跳 陽子を検出 Deposit Energy (MeV) ch # R , R 大 TR 大 ToF 小 • • ガス標的なので、反跳陽子の検出が可能になった。 Deposit energyを運動エネルギーTRに校正 -t = 2mpTR 2010/3/21 Hiromi Iinuma 15 弾性散乱イベント同定 (TR & ToF ) を利用して 反跳陽子を同定 1. 適切なチャンネルからの (Tイベント数が弾性散乱事 R & R ) を利用して 象数になる。 前方散乱陽子を同定 2. 標的・ビームのスピン状 態、検出器の左右、23=8 組に振り分ける。 2010/3/21 Hiromi Iinuma 16 バックグランド見積もり s=6.8 GeV pp弾性散乱イベントの他に・・・ • 非弾性散乱イベント • pp (p+) p 等、 寄与は無視しうる • 校正用α線源のテイル • ビーム起源 s=13.7 GeV バックグランド補正 2~3 %程度 2010/3/21 Hiromi Iinuma 17 3. 結果 • シングルスピン非対称度 AN • ダブルスピン非対称度 ANNとT • ビーム偏極度 2010/3/21 Hiromi Iinuma 18 AN算出 前方散乱陽子 検出器の左右、ビーム、標的のスピン 状態の計23=8通りに振り分けてある。 陽子ビーム 水素標的 t pout pin 0 N LR b t N 左側の検出器、 ビームスピンアップ、 標的スピンアップ 2 AN 1 Pt arg et AN 2010/3/21 反跳陽子 N 0L N 0R N 0L N 0R 1 N 0L N 0R N 0L N 0R Pt arg et N 0L N 0R N 0L N 0R Hiromi Iinuma L Square-root-formula アクセプタンス、ビームと標的 の強度のスピン非対称成分を 2次の項までキャンセル 1 Pt arg et t arg et 19 AN A QED N A 2004年AN測定結果 had N PLB 638 (2006), 450-454 PRD 79 094014 (2009) • 理論計算不確定性大 • 複素数パラメータ r5 主要項:陽子の異常 磁気モーメント起源 3.9 M events A 0.8 M events QED N 1. A は、 s=6.8 GeVでノンゼロ、s=13.7 GeVで ゼロコンシステント 2. 核力のシングルスピン成分のs依存性を示唆。 had N 2010/3/21 Hiromi Iinuma 20 2004年ANN測定結果 A NN 1 Pbeam 1 1 Pt arget Pbeam 1 N N N N ビームと標的両方の スピン情報を用いる。 ANN t arget Pt arget beam ANN A QED NN A had NN 計算可能、 ほぼゼロ 1.• A理論計算不確定性大 NN値は、 s=6.8、13.7 GeVでゼロコンシステント、 複素数パラメータ r2 2.• 核力のダブルスピン成分はこのs領域では小。 2010/3/21 Hiromi Iinuma 21 核力のスピン成分のs依存性 pp s=13.7 GeV N (Pbeam=100GeV/c) pC Pbeam=21.7 GeV/c N Pbeam=100 GeV/c A A T 1970~1980年代に多く のT= 測定 実験が行われた。 本実験 結果 (私が生まれて“少し” 経った頃) 2010/3/21 Hiromi Iinuma PRD 77, 054005 (2008) T.L.Trueman博士(BNL)に 実験からのインプットとして 提供した。 pp N A s 6.8GeV の予言と実験を比較すると・・・。 ANN測定値からt依存性の ないパラメータr2を抽出 T 2 Imr2 tot 22 RHICビーム(100GeV/c)偏極度 beam Pbeam Pt arget 0.392 0.020 t arget Pbeam 8.5% Pbeam (2004) 3週間 毎年安定して稼働中! 6.1% (2005) 2ヶ月 4.8% (2006) 3ヶ月 5.2% (2008) 1ヶ月 グル―オン偏極度測定 深尾祥紀氏(核談新人賞) 22pBC PHENIXスピン物理関連発表 22pBC、22pBS 2010/3/21 Hiromi Iinuma 23 3 GeV proton beam ( 333 uA) Silicon Tracker Graphite target (20 mm) Surface muon beam (28 MeV/c, 4x108/s) Muonium Production (300 K ~ 25 meV) Resonant Laser Ionization of Muonium (~106 +/s) 2010/3/21 Hiromi Iinuma Super Precision Magnetic Field (3T, ~1ppm local precision) Muon LINAC (300 MeV/c) 24 2009年12月プロポーザルをJ-PARC PAC提出。 強いサポート意見&多くの宿題を得た。 次のPAC目指して(pre-)CDRにまとめます! 本学会での関連発表 1. 22pBE-6 飯沼裕美 ミューオンg-2/EDM精密測定用の 貯蔵リング磁石設計 2. 23pBS-3 廣田誠子 J-PARCで行うミューオンのg-2実験のための ミューオニウム源の開発 2010/3/21 Hiromi Iinuma 25 backup 2010/3/21 Hiromi Iinuma 26 AN collection in the CNI region Pbeam=24 GeV/c Pbeam=100 GeV/c AN pp |r5|=0 preliminary PLB 638 (2006), 450-454 |r5|=0 Pbeam=21.7 GeV/c J. Tojo et al. PRL 89, 052302 (2002) |r5|=0 AN Pbeam=100 GeV/c O. Jinnouchi et al. |r5|=0 pC preliminary 2010/3/21 Hiromi Iinuma 27 偏極度測定 beam Pbeam Pt arget t arget (2004)3週間 • インストール前の準備から、実験中、解析を終えるまで一貫して取り組み、 博士論文、2本の投稿論文にまとめた。 • 偏極度計オンライン解析ツールのパッケージ化をし、加速器オペレータに渡した。 2010/3/21 Hiromi Iinuma 28 120mT 2010/3/21 Hiromi Iinuma 核偏極は最大 0.96になる。 29 反跳陽子検出器 散乱槽中心 8mm(Center~1st strip edge) • 左右3ペアのシリコン検出器 反跳陽子の飛距離 ~0.8 m (10 < R< 100 mrad, = 0.205 rad) • 浜松タイプとBNLタイプ 浜松-type • 読み出しch幅:共に ~4.4mm • 読み出し1ch当たりの容量 70 mm 64 mm BNL-type 50 mm 80 mm 浜松-type 各タイプのエネルギー 校正方法が異なる。 2010/3/21 Hiromi Iinuma • 60 pF (浜松) • 80~100 pF (BNL) • Entrance-window厚 (検出器表面の不感応領域) • 1~3 m (浜松) • 0.1~ 0.2 m (BNL) • 検出器厚 • ~ 400 m (浜松) • ~ 450 m (BNL) 30 バックグランド 空標的のデータ: • ビーム起源 • 校正用α線源 空標的、RHICビームなしの データ: • 2010/3/21 Hiromi Iinuma 校正用α線源 31 “検出器の有効感応厚”を算出 (反跳陽子のMaximum Deposit Energy を利用) Gd Am 陽子のシリコン中の阻止能 (dE/dx) を用いて、 x D E ビーム起源 2010/3/21 浜松-type: 385 5 m BNL-type: 414 5 m Hiromi Iinuma MAX p dE dx x 0 dx シリコン検出器の“有効感応厚 “を算出する。 32 1. Entrance-window 厚の算出 (続) α粒子のシリコン中の阻止 能 (dE/dx) を用いて、 E x di i Am dE dx , x 0 dx x di dE E dx x 0 dx (i 1, 2) i Gd 浜松-type: d1=2.69 0.06 m, d2=1.79 0.06 m BNL-type: < Hiromi 0.2Iinuma m 2010/3/21 33
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