ブ ライ ア ン オ ニ ー ル ペ ック フ ォー ド 氏 名 ・(本 籍 ) Br i anO' ne i lBe c kf or d 学 位 の 種 類 博 学 位 記 番 号 理 博 第 2 7 3 6号 学位授与年月 日 平成2 5年 3月 2 7日 学位授与 の要件 学位規則第 研究科, 専攻 東北大学大学院理学研究科 ( 博士課程)物理学専攻 学位論文題 目 St udyoft heSt r ange ne s sPhot opr oduc t i onPr oc e s si nt heγd- AX 士 ( 理 学) 4条第 1項該 当 Re ac t i onatPhot onEne r gi e supt o1 . 0 8Ge V (ェネルギ ー領域 1 . 0 8Ge V まで の γd- AX 反 応 によ るス トレンジネス 教 授 教 授 論 文 一 准教授 浩 准教授 茂 肇 和 哲 授 裕 教 和 ( 主査) 田 水 村 村 野 論文審査委員 前 清 田 中 萩 光生成過程の研究) 目 次 1I n t r o d uc t i o n l . 1 0v e vi r e wa ndS t uc r t u r eo ft heThe s i s 1 . 2 Nuc l e a ra n dHa d r o nPh ys i c s l ・ 3 Hi s t o r yo fS t ra n g e ne s sPh o t o pr o d uc t i o n 1 . 4 Re c e n tEx pe ime r n t a lEx pl o r a t i o n I . 5 S t r a n ge ne s sEx er p ime n t sa tLNS 皿LPH 1 . 6 A s pi r a t i o no fPr e s e n tS t u d y 2The o r e t i c a lBa c kg r o nd u 2. 1 0v e vi r e w 2. 2 Pho t o pr o d uc t i o nPr o c e s s 3 Ki ne ma t i c s 2. 2. 4 Th e o r yCo n c e r nl n gt hePho t o p r o d uc t i o no fSt r a n ge ne s s 2. 5 The o r e t i c a lMo d e l s 2・ 5・ lKa o nMAI D( KM) 2. 5 . 2Sa c l a yLyo nA ( S LA) 2・ 5 1 3Re g g e Pl su Re s o na n c e ( RPR)Po i nto fVi e w 2. 6 Re s o n a nc e s ( N*, K* , Y* ) 3Ex pe ime r n t a lI ns t ume r n t a t i o n 3. 1 0ve r v i e w -9 7- 3. 2 STB Ta g g i ngS ys t e ma ndPh o t o nBe a m Li ne 3. 2. 1Ra d i a t o rCo n t r o l 3. 2. 2STB Ta g g e rS ys t e m 3. 2. 3Be a m Po s i t i o nMo n i t o rPPM) 3. 2. 4Du y Fa t c t o r 3. 2. 5S we e pMa g ne t . 3 TheNKS 2 +S pe c t r o me t e r 3 3. 3. 16 8 0Di po l eMa g n e t 3. 3. 2Dr if tCha mbe r s 3. 3Dr if tGa s 3. 3. 3. 4Ve r t e xDr if t Cha mbe rC VDC) 3. 3. 5Wi r eGe o me t Ⅳ 3. 3. 6Re a dOu tCa r d 3. 3. 7Cyl i nd ic r a lDr if tCh a mbe r( CDC) 3. 3. 8I n ne rHo d o s c o pe( I H) 3. 3. 9Ou t e rHo d o s c o pe( OH) 3. 3. 1 0El e c t r o nVe t o( EV) 3. 3. l lTa r ge tS ys t e m 3. 3. 1 2Ta r g e tCe l l 4 Tr i g g e r e dEve n ta n dAs s o c i a t e dEl e c t r o n i c s 3. 3. 4. 1El e c t r o ni c sa ndDa t aAc q ui s i t i o n( DAq) 3. 4. 2Tr ig g e r 3. 4. 3To ho k uUni ve r s a lLo gi cMo d ul e( TUL) 3. 5 0u t e rHo d os c o peS pe c i f i c a t i o ns 4Ana l ys i sMe t ho d o l o g y 4. 1 0v e r v i e w 4. 2 Da t aS u m a r y 4. 3 Da t aCa l i b r a t i o na n dPr o c e s s l n g 4. 3. 1TDC a n dADC Ofs e t 4. 3. 2ADC Ofs e ta ndGa i n 3. 3Pul s eHe i g h tCo r r e c t i o n 4. 4. 4 Ho d o s c o pePe r f o ma r nc e 5 Dr iRCha mbe r s 4. 4. 5. IDr if t Cha mbe rPe r f o ma nc e 4. 5. 2Mo me n t m Re u s o l u t i o n 4. 6 Ta gg i ngEf Gc i e nc y 4. 7 Ve r t e xDi s t ib r ut i o n 4. 7 . 1Ve r t e xRe s o l u t i o n 4. 8 Li q ui dDe u t e iu r m Ta rge t 4. 8 . 1Ta r ge tThi c ne k s s -9 81 4. 8 . 2Ta rge tSt a bi l i y t 4. 8. 3Ta rg e tDe ns i y Ca t l c ul a t i o n 4. 8 . 4Ca l c ul a t i o no ft heNu m be ro fDe u t e r o nTa rg e t 4. 9Da t aAc q ui s i t i o nEf f i c i e n c y 4. 1 0Pa r t i c l eI d e n t i f i c a t i o nTe c mi l q ue ( PI D) 4. 1 0. 1Sc i n t i l l a t o r s 4. 1 0. 2Ene r g yDe pos i t i o n( d E/ d x ) 4. 1 0. 3Ti meo fFl i ht( g TOF) 4. I IMo me n t m Re u s o l ut i o n 4. 1 2Eve n tSe l e c t i o n 4. 1 2. 1K in e ma t i c a lSe l e c t i o n 4. 1 2. 2Ti mi ngRe q ui r e me n t s 4. 1 2. 30p en i ngA n gl eCut i氏Ch a mbe rLa ye rMul t i pl i c i y Se t l e c t i o n 41 1 2. 4Dr 4. 1 2. 5 x2se l e c t i o n 4. 1 2. 6Ho d o s c o peHi tRe s i d ua lSe l e c t i o n 4. 1 2. 7Di s t a nc eBe t we e nRe c o ns t uc r t e dTr a c ksSe l e c t i o n 4. 1 3 Mi s s i n gMa s s 4. 1 4 I n v a r i a n tMa s s 4. 1 5 I n c l us i veA Me a s u r e me n t : Es t i ma t i ngmeBa c kg r o un d 4. 1 6 Si mul a t e dDi s t ib r ut i o ns 4. 1 7 Me a s u r e dA Eve n tDi s t ib r u t i o ns 4. 1 8 S u m a iz r a t i o no fAs s o r t e dEf T l C i e nc i e s 4. 1 8. IEf f i c i e nc yo fDi s t a n c eBe t we e nTr a c ksSe l e c t i o n 4・ 1 8 . 2Ef f i c i e n c yofOpe nl ngA n gl eSe l e c t i o n 4. 1 8 . 3Ef f i c i e nc yo fx2se l e c t i o n 4. 1 8. 4Ef f i c i e nc yo fMHL Se l e c t i o n 4. 1 8 . 50t he rEf f i c i e n c i e s 4. 1 9 Ac c e p t a nc eCa l c ul a t i o n 5Ex pe ime r n t a lFi n d i ng s 5 . 1 0v e r v i e w 5 . 2 Di fe r e n t i a lCr os sSe c t i o n 5. 3 I n t e g r a t e dCr o s sSe c t i o n. 5 . 4 Mo me n t m a u n dA ng ul a rDi s t ib r u t i o ns 5 . 5 Yi e l dEx t r a c t i o n 5. 6 I nc l us i veA me a s re u me n t 5. 6. 1Mo me n t m Di u s t ib r ut i o n 5 . 6. 2A ng ul a rDi s t ib r ut i o n 5 . 7 I nt e g r a t e dCr o s sSe c t i o no f( dγ, A) X -9 9- 5. 8 To t a lCr o s sSe c t i o no f( dγ, A) Ⅹ 5 . 9 A Re c o i lPo l a iz r a io t n 5 . 1 0Co mpa is r o nw it ht hePr e vi o usNKS 2Ex pe ime r n t 6Di s c o ur s e 6. 1 0v e vi r e w 6. 2 Pho t o pr o d uc t i o no naDe u t e r o n 6. 2. 1Ka o nPho t o pr o d uc t i o n: KM a ndS LA:Mo me n t u m Ca l c ul a t i o ns 6. 2. 2 A Pho t o p r o d u c io t n: KM a n dSLA:Mo me n t m Ca u l c ul a t i o ns 6. 2. 3RPR:Mo me n t u m Pr e d i c io t ns 6 . 2. 4KM a ndS LA:Exc i t a t i o nFu nc t i o n. 6. 2. 5RPR:Ex c i t a t i o nFu nc t i o nPr e d i c t i o n 6. 2. 6A ng ul a rDi s t ibu r t i o ns :KM a ndS LA 6 . 2. 7A ng ul a rDi s t ib r u t i o ns . ・RPR Pr e d i c t i o ns 6. 2. 8A Re c o i lPo l a iz r a t i o n:KM a ndS LA Ca l c ul a t i o ns 6. 2. 9A Re c o i lPo l a iz r a io t n:RPR Pr e d i c io t ns 6 . 3 Co mpa is r o nt oThe o r e t i c a lCa l c ul a t i o ns 6. 3. 1KM a ndS LA:Mo me n t m Di u s t ib r u t i o ns 3. 2RPR:Mo me n t m Di u s t ib r u t i o ns 6. 6. 3. 3I n t e g r a t e dCr o s sSe c t i o n:KM a ndS LA 3. 4I n t e g r a t e dCr os sSe c t i o n:RPR 6. 6. 3. 5Es t i ma t e dTo t a lCr o s sSe c t i o n:KM a ndRPR. 6. 3. 6A ng ul a rDi s t ib r u t i o ns 6. 3. 7A Hy pe r o ns Re c o i lPo l a r i z a t i o n 6. 4 Co mpa is r o nt oExi s t i ngEx pe ime r n t s 6 . 4. 1Po l a iz r a t i o nObs e va r bl e s 6 . 4. 2Th eK ins hi po fKO Aa ndK' A 7Co n c l us i o n 7. 1 S m u a r yo fRe s ul t s 7. 2 Co n c l us i o na n dOu t l o o k Ap pe nd i xA S ys t e ma t i cEr r o r s A. 1S ys t e ma t i cEr r o r Ap pe nd i xB Pe r f o ma r n c eS t u d yo fVDC B. 1VDC La ye rEf Ac i e n c yGa sS t u d y B. 2Pos i t i o nRe s o l u t i o n B. 3Si n gl e sRa t e 4Ups t r e a m Wi r eRe mo va l B. B. 5Pa t t e m Re c o g ni t i o n. ・Cl us t e rSe l e c t i o n Ap pe nd i xC Hul he t na ndDe u t e r o nWa veFu nc t i o ns -1 0 0- Ap pe nd i xD I n va ia r ntMa s sDi s t ib r u t i o ns Ap pe nd i xE Ta bl e so fc r os ss e c t i o ns Ap pe nd i xFVぬ Bi bl i o g r a p h y 論 文 内 容 要 旨 Ex pl o r a t i o no ft hep ho t o i nd uc e dpr o d uc t i o no fs t r a n ge ne s sha sbe e nme t i c ul o us l yi nve s t i g a t e do nt hep r o t o n a nda so fl a t et hepr o mi ne n c ei sbe i n gv e e r e dt ot hen e u t r o nt oa s c e r t a i nac o mpr e he ns i ved e s c ipt r i o no ft he p r o c e s sf o ra l li s o s pi nc ha n ne l s .Si nc eaf re ene u t r o nt a r ge ti si na c c e s s i bl e ,a ndi nvi r t ueo ft hel o w bi nd i ng e ne r g yo fd e ut e r o n,i ts e ve r sa sa ne f f e c t i vet a r g e tt opr o vi d eal o os e l ybo ndne u u t r o n.Re a c t i o nso nt hed e ut e r o nc a na l s obec o mpa r e dt or e s ul t so nake ep r o t o nt oga l ni ns i hti g n t ot hen uc l e a rme d i m e u f f e c t . S u bs t a n t i a le f f o r twa spl a c e do na d v a n c l n gt hei n ve s t i g a t i o no nt hene u t r o na ndd uet ot hef a vo r a bl eo u t h t t heNeut r a lKa o nS pe c t r o me t e r( NKS )a ndNKS 2e x pe ime r n t s[ 1 ,2,3 ]a t c o meo fp r e vi o use x pe ime r n t swi h teRe s e a r c hCe n t e rf o rEl e c t r o nPho t o nSc i e n c e( ELPH) ,To ho kuUni ve r s i yi t nSe n d a iJ a pa n,t hes pe c t r o me t e rwa su pg r a de dbyt her e pl a c e me n to ft hei r L ne rd e t e c t o r si no r d e rt oi mp r o veu po nt hea c c e p t a n c e . Thi st he s i sr e po r t so nt hei n c l us i veme a s ur e me n t so fA i nt heγd→ AX r e a c t i o na tt h r e s h o l de ne r g i e s .Ex pl o r a t o r yd a t awi ht t heu pg r a d e dNKS 2 +wa st a ke na tELPH i n 201 0.Thee x er p ime n twa spe r f o me r dwi h t t a g g e dph o t o nbe a msi nt her a ng eo fOl 8≦ET ≦ 1 ・ 0 8Ge Vt ha twe r ed i r e c t e dt oal i q ui dd e u t e iu r mt a r g e tpo - s i t i o ne da st hec e n t e ro ft hes pe c t r o me t e r .Thep r o d uc e dA ( r o ug hl y40 0e ve n t s )wa sd e t e c t e di nt hep7 T 1 9Me V/ C( q) . d e c a yc ha n ne lwi t hac o r r e s po nd i n gwi d ho t f2. 8 7 ± 0. Thef o c uso ft hewo r kha sbe e nt hed e t e mi r na t i o no ft hee ne r g yd e pe nd e nc eo fA p ho t o p r o d uc t i o n,t he mo me n t aa n da ng ul a rdi s t ibu r t i o nsa n da l s or e po r t so nt her e c o i lpol a iz r a t i o n.Thei n t e g r a t e dc r o s ss e c t i o nso f h te γd→ AX r e a c t i o ni nt hea n g ul a ri n t e g r a t i o nr e g i o nso f0. 9≦c o sOL ^ A B≦ 1 . 0a n d0. 7 5≦c o sOL ^ A B≦1 . 0 we r ede ive r da ndc o mpa r e dwi t ht hee x pe ime r n t a lr e s ul t so ft heNKS2.I na d d i t i o n,t hemo me n t m S u pe c t r a f o rt wos e pa r a t epho t o ne ne r g yr a n ge s ,o fOl 9≦E†≦ I l oa ndI l o ≦ET ≦ 1 ・ 08Ge V wa sa l s op r o c u r e d・The d i f f e r e n t i a lc r o s ss e c t i o na saf unc t i o no ft heA s c a t t e in r ga ng l ei nt hel a bo r a t o r ywa sa d d i t i o n a l l yd e d uc e d. TheA r e c o i lpo l a iz r a t i o nwa sd e t e mi r ne df o rt h r e ee n e r g yr a ng e s ,E7-0. 9 0-1 . 0,0. 9 5-1 . 05a n d1 . 0 011. 0 8Ge V.I nc o l pO r a t i n gr e s ul t so fme o r e t i c a lc a l c ul a t i o ns ,也et o t a lc r o s ss e c t i o no f γd→ Ax a n dγd→ KO Apwe r ea p p r o xi ma t e da ndt hel a t t e rc o mpa r e dwi t hp u bl i s he df i n d i ng s I Ther e s ul t swe r ec o mpa r e dt oaha n d ulo f fc o n t e mpo r a r yt he o r e t i c a lc a l c ul a t i o ns ,i npa r t i c ul a r ,t heKa o n KM) a n d Sa c l a yLyo nA ( S LA)i s o ba rmo d e l s ,a nd t he mo r er e c e n t l yi n t r o d uc e d Re g g e Pl su MAI D ( nc e( RfR2 0 0 7 )mo d e l .Re g a r d i ngt heme a s ur e dc r o s ss e c t i o nso ft hea ng l ei n t e g r a t e dA mome n t u m Re s o na ntdi f f e r e n t i a lc r os ss e c t i o ns ,t heKM c a l c ul a t i o nsr e pl i c a t et heg e ne r a ls h a e oft p hed i s t i rb u io t nsi n d e ende p bo he t ne r g ybi nsa nds c a t t e in r ga n gl e s ・No ne t he l e s s ,i twa sd e f i c i e n ti nc o n ve r g l ngWi t ht hema g n i t u d ea tt he o r wa r da ngl e s ,i nwhi c hi tu nde r s c o r e dt hec r o s ss e c t i o nb ya p pr o xi ma t e l y2 0 1 40% a tA mo me n t abe mo s tf t we e n0. 65≦ PL ^ A B≦ 0. 9 0.Ge V/ C .Ont heo t he rha nd,t heS LA mo d e lc a l c ul a t i o nsh a da na d mi r a b l ec o ns e n s us hes ha pea n dma g ni t u d eoft hed a t awi t hr KI K7--1 ・ 4,whe r er KI K71 Saf re ef it t ngp i a r a me t e rf o rt he wi t ht p ho t o c o upl i ng i nt het c ha nne lt ha ta is r e sf ro m t her a t i o oft hec ha rg e da nd ne u t r a lc h a n n e l s( r KI KT- -1 01- g KI O Kr O / g K. + K; ) ・ TheRPR mo d e lp r o d uc e sa ni mpr e s s i ved e s c ip r t i o nf o rt her e s ul t so ft hei n t e g r a t e da ndt o t a lc r o s ss e c t i o ns i nbo ha t n g ul a rhe mi s p he r e s ,a nde x c e p t i o na l l yr e p r o d uc e st hes ha e o p ft hea ng ul a rd i s t ib r u t i o nsi na l lme a s ITh eSLA mo d e lwi t haf it t e dc o u pl i ngc o ns t a n to fr KI K7- -1・ 4,e x hi bi tf a i r l yg o o da g r e e u r e de ne r g ybi ns me n twi h t t he d a t a ,de s c ibi r n g we l l ,t he s ha pe o ft he mo me n t u m a n da n g ul a rd i s t ib r u t i o ns ,a n d mo s t s i g ni ic f a n t l yt hee n e r g yd e pe n d e n ti n t e g r a t e dc r o s ss e c t i o n.Th eKM c a l c ul a t i o nsu nd e rp r e d i c tt hei n t e g r a t e d a ndt o t a lc r o s ss e c t i o nsb yr o ug hl y20 %. a s Ther e s ul t sr e po r t e di nt hi sd i s s e r t a t i o na r ec o ns i s t e n ta c r os st hebo a r dwi t ht hepr e v i o usγd→ Ax me 'Ko Apc r o s ss e c t i o no ft heNKS2c o l l a bo r a t i o nl 4La swe l la swi h SLA t u r e me n ta ndt hee s t i ma t e d rd-・ p r e d i c t i o ns .Themo s ts i g ni f i c a n tc o n c l us i o nt ha tc a nbed r a n i w st her e l a t i ve l ye q ui va l e n tma g it m u d eo ft he Apa n d γp→ K' Ap r o c e s s e s ,whi c ha r ep r e d i c t e dt oha ves t r i k i n gl yd i s s i mi l a rc r os ss e c t i o ns ,he r e γd→ KO Ic o nc l ud et ha tt he ya r ei nf a c to npa r . -1 0 2- 論文審査の結果の要 旨 ブ ライ ア ン オニール ペ ッ ク フ ォ ー ド氏 の学 位 論 文 タ イ トル は, … St ud y oft he St r a nge ne s s pho t o pr od uc t i onPr oc e s si nt he γd- AX Re a c t i ona tPho t o nEne r gi e supt oI . 08Ge VMであ る.研究 の 目的 は, エネルギー領域 が lGe V付近 の γ線 を重 陽子標 的 に照射す ることによ り,終状態 に放 出 され る A粒子の観測か ら, γ線 による原子核 内ス トレンジネス生成素過程 を調べ ることである。 実験 は東北大学電子光理学研究 セ ンターに設置 されて いる中性 K 中間子 スペク トロメータ ( NKS2 )を 用 いて行 った. ペ ックフォー ド氏 は NKS 2で使用 した測定器 の開発 に従事 し,取得 データの解析方法 を確 立 したO論文 で は実験 やデー タ解析 の詳細 な記述が されてお り, ペ ックフォー ド氏が研究 目的を達成 す る ために行 った数 々の工夫が述 べ られて い る。 重水素榛的か らの A粒子 の A- T+P崩壊 チ ャンネルを同定す ることによ り, このエネルギー領域 で初 7 めて γd- AX反応 にお けるA粒子 の運動量分布,角度分布,全生成断面積 の入射 γ線 エネルギー依存性 を導 きだす ことに成功 した。 これ らの デー タは,Ka o nMAI D( KM)と sa c r a yLyonA( SLA)と呼 ばれ るア イソバ ー模型 および Re ggePl us Re s o na nc e ( RPR)模型 による計算結果 と比較 した. この結果 sLA によ る記 述が本実験結果 を最 も良 く再現す る ことを示 した。 また, γd- AX 反応 の うち実験 デー タとそれを記述す る模型が研究 されて きた確立 されて きた γd- AK' nチ ャンネルの寄与 を差 し引 くことによ り, γd- AKo p反応断面積 を推定 した。 この結果 は測定 が 非常 に困難であ るため,極 めて限 られ たデー タ しか存在 しない 7 ・ d- AKo p反応断面積 の,独創的方法 を 用 いた最新 の知見で あ ると認 め られ る。 V付近 の γ線 を重陽子標的 に照射 す ることによ り,終状態 に放 このよ うに, ペ ックフォー ド氏 は lGe 出され るA粒子 の観測か ら,γ線 によ る原子核 内ス トレンジネス生成素過程 の新 たな知見 を,本論文 で報 告 した。 この ことは自立 して研究活動 を行 うに必要 な高度 の研究能力 と学識 を有す ることを示 して いる。 したが って, ブライア ン オニール ペ ックフォー ド氏 ( Br ia nOl ne i lBe c kf o r d) 提 出の博士論文 は,博 士 ( 理学) の学位論文 と して合格 と認 め る。 -1 0 3-
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