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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

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. Alekseev et al. , Phys. Rev. D 79 :094014, 2009. 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. 本研究の二つの目的. 1 ． 陽子 ビームの絶対偏極度 測定.

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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

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  1. 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 Alekseev et al., Phys. Rev. D 79:094014, 2009. 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 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 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 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： Hiromi Iinuma

  3. 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。　 E704, FNAL s=19.7 GeV Phys. Rev. D 48, 3026 (1993) 1946年　Schwinger 核力のスピン依存性? Hiromi Iinuma t ~ 0.003 (GeV/c)2

  4. 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。 実験結果豊富・Regge理論でよく説明される。 ノンフリップ -t0 でゼロになる 全断面積(-t =0) ダブルフリップ Pomeron? シングルフリップ 微分断面積 電磁気力＋核力 モデルいろいろ。 0 ? Odderon? Hiromi Iinuma

  5. 内容 • RHIC 偏極陽子加速器の紹介 • 実験について • セットアップ • 解析(2004年データ) • 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 Hiromi Iinuma

  6. RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in Brookhaven National Laboratory 1周　3.83 km Hiromi Iinuma

  7. Pbeam=100 GeV/c O. Jinnouchi, I. Nakagawa Hydrogen gas jet target system RHIC pp CNI 偏極度計 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、 • 測定結果にオフセットを含む　　絶対偏極度計で要補正。 Hiromi Iinuma

  8. 前方散乱陽子 陽子ビーム 水素標的 反跳陽子 絶対偏極度計：陽子-陽子弾性散乱利用 i/ i0 (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。 私がやった。 Hiromi Iinuma

  9. 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 Hiromi Iinuma

  10. 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 • 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 156060 m/sec 反跳陽子 RHIC 陽子ビーム Hiromi Iinuma

  11. |1> |2> H = p++e- 偏極水素ガスジェット標的システム |1> |2> |3> |4> 超微細構造 解離器 偏極水素原子標的製造装置 六極磁石 高周電磁波遷移装置 　(WFT, SFT) P+ OR P- 標的偏極度保持磁石 散乱槽 |1> |4> |2> |3> 標的偏極度測定装置 六極磁石 校正用 2nd 高周電磁波遷移装置 |1> |2> Hiromi Iinuma イオンゲージ イオンゲージ

  12. 水素ガス標的の偏極度 水素原子の偏極度　 95.8%  0.1%BRPで測定 水素原子の偏極度 H2, H2O 分子混入分を補正 (係数1.037で割る) 1 day Ptarget = 92.4%  1.8% Polarization cycle (+/ 0/  ) = (500/50/500) seconds 実験期間中、安定! Hiromi Iinuma

  13. 標的のサイズ、厚み • 衝突点での標的サイズ FWHM = 6.9 mm • 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 )1012atoms/cm2 • ガス標的速度 156060 m/sec • ガス標的強度 (12.40.2)1016atoms/sec 標的サイズ測定 RHIC-beam と反跳陽子検出器を使用 • 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。 設計値を達成。 Hiromi Iinuma

  14. 上 反跳陽子 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 • 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400m • 有効表面積　60mm 64 mm • 1チャンネル4mm幅　 5mrad • 16チャンネル／シリコン１枚 反跳陽子 RHIC 陽子ビーム 左 右 Hiromi Iinuma

  15. R , R大  TR大  ToF 小 Ch#14 Ch#3 Ch#4 Ch#6 Ch#15 Ch#9 Ch#7 Ch#8 Ch#10 Ch#13 Ch#16 Ch#5 Ch#11,12 Ch#2 Ch#1 ch#1-16 • source for energy calibration • 241Am(5.486 MeV) R 反跳陽子検出器（シリコン検出器） #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) • 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 Hiromi Iinuma

  16. 弾性散乱イベント同定 (TR & ToF ) を利用して反跳陽子を同定 適切なチャンネルからのイベント数が弾性散乱事象数になる。 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。 (TR & R ) を利用して　　前方散乱陽子を同定 Hiromi Iinuma

  17. s=6.8 GeV バックグランド見積もり • 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 Hiromi Iinuma

  18. 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 Hiromi Iinuma

  19. 前方散乱陽子 陽子ビーム 水素標的 反跳陽子 AN算出 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。 左側の検出器、　　　　　　　　　　　　　　ビームスピンアップ、標的スピンアップ 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 Hiromi Iinuma

  20. 2004年AN測定結果 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 0.8M events 　　　は、 s=6.8 GeVでノンゼロ、s=13.7 GeVでゼロコンシステント 核力のシングルスピン成分のs依存性を示唆。 Hiromi Iinuma

  21. 2004年ANN測定結果 • ビームと標的両方のスピン情報を用いる。 ANN 計算可能、　ほぼゼロ　 ANN値は、 s=6.8、13.7 GeVでゼロコンシステント、 核力のダブルスピン成分はこのs領域では小。 • 理論計算不確定性大 • 複素数パラメータ　r2 Hiromi Iinuma

  22. 核力のスピン成分のs依存性 s=13.7 GeV (Pbeam=100GeV/c) T.L.Trueman博士(BNL)に実験からのインプットとして提供した。 Pbeam=21.7 GeV/cPbeam＝100 GeV/c PRD 77, 054005 (2008) の予言と実験を比較すると・・・。 1970~1980年代に多くのT= 測定実験が行われた。 （私が生まれて“少し”経った頃） ANN測定値からt依存性のないパラメータr2を抽出 本実験結果 Hiromi Iinuma

  23. RHICビーム(100GeV/c)偏極度 毎年安定して稼働中！ 6.1% (2005)2ヶ月 4.8% (2006) 3ヶ月 (2004)3週間 5.2% (2008) 1ヶ月 目標達成！ 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 Hiromi Iinuma

  24. 今の私(PR) 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) Super Precision Magnetic Field (3T, ~1ppm local precision) Resonant Laser Ionization of Muonium (~106m+/s) Muon LINAC (300 MeV/c) New Muon g-2/EDM Experiment at J-PARC with Ultra-Cold Muon Beam Hiromi Iinuma

  25. 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 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 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 Hiromi Iinuma

  26. backup Hiromi Iinuma

  27. AN collection in the CNI region Pbeam=24 GeV/c Pbeam=100 GeV/c PLB 638 (2006), 450-454 ANpp |r5|=0 |r5|=0 preliminary Pbeam=21.7 GeV/c J. Tojo et al. PRL 89, 052302 (2002) Pbeam=100 GeV/c O. Jinnouchi et al. |r5|=0 ANpC |r5|=0 preliminary Hiromi Iinuma

  28. 偏極度測定 (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。 Hiromi Iinuma

  29. 核偏極は最大0.96になる。 120mT Hiromi Iinuma

  30. 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 • 読み出しch幅：共に ~4.4mm • 読み出し1ch当たりの容量 • 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） 散乱槽中心 反跳陽子検出器 8mm(Center~1st strip edge) 浜松-type 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。 Hiromi Iinuma

  31. 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： • 校正用α線源 Hiromi Iinuma

  32. “検出器の有効感応厚”を算出　 (反跳陽子のMaximum Deposit Energy を利用) Am Gd 陽子のシリコン中の阻止能 (dE/dx) を用いて、 シリコン検出器の“有効感応厚“を算出する。 ビーム起源 浜松-type: 385  5 m BNL-type: 414  5 m Hiromi Iinuma

  33. 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、 浜松-type: d1=2.69  0.06 m, d2=1.79  0.06 m BNL-type: < 0.2 m Hiromi Iinuma

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