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S= - 2 の系における X 線・ g 線分光実験計画

S= - 2 の系における X 線・ g 線分光実験計画. XiX Collaboration (J-PARC E03) 実験代表者：谷田 聖（京都大学） 2007 年 3 月 2 日 「ストレンジネスとエキゾティクス」研究会 @ 鳥羽. J-PARC E03 collaboration. Kyoto University

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S= - 2 の系における X 線・ g 線分光実験計画

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Presentation Transcript

  1. S=-2の系におけるX線・g線分光実験計画 XiX Collaboration (J-PARC E03) 実験代表者：谷田 聖（京都大学） 2007年3月2日 「ストレンジネスとエキゾティクス」研究会@鳥羽

  2. J-PARC E03 collaboration • Kyoto University • S. Dairaku, H. Fujimura, S. Hiraiwa, K. Imai, S. Kamigaito, K. Miwa, A. Okamura, A. Sato, K. Senzaka, K. Tanida (spokesperson), C. J. Yoon • Brookhaven National Laboratory • R. E. Chrien • China Institute of Atomic Energy • Y. Y. Fu, C. P. Li, X. M. Li, J. Zhou, S. H. Zhou, L. H. Zhu • Gifu University • K. Nakazawa, T. Watanabe • KEK • H. Noumi, Y. Sato, M. Sekimoto, H. Takahashi, T. Takahashi, A. Toyoda • JINR(Russia) • E. Evtoukhovitch, V. Kalinnikov, W. Kallies, N. Karavchuk, A. Moissenko, D. Mzhavia, V. Samoilov, Z. Tsamalaidze, O. Zaimidoroga • Tohoku University • O. Hashimoto, K. Hosomi, T. Koike, Y. Ma, M. Mimori, K. Shirotori, H. Tamura, M. Ukai

  3. Fe target K- K+ X- X ray 実験の概略 • X-atom のX線を測る世界初の実験 • X-A の Optical Potential の直接測定 • Fe(K-,K+) 反応による X-生成 → 静止 X- → X線測定 • 方法の確立を目指す • 数多くのX線測定で、 XA相互作用の解明へ • ダブルL核のg線分光にもつなげていきたい

  4. 目指す物理 • S=-2でのstrangeness nuclear physics • 初めてhyperon-hyperon相互作用が現れる • ここがわからないとmulti strangeness系に行けない。 • 非常にdynamicなシステムなのでは？ • Large baryon mixing? 質量差に反比例 • XN-LL-SSが混ざった状態としてのHダイバリオン？ • ほとんどわかっていない。 J-PARCでの中心課題

  5. X 系の重要性 • XN （有効）相互作用 • 例： XN  LLはどれだけ強いか？ • H dibaryonの存在と関連 • LL-hypernucleiにおいて、どれだけXNは混ざるか？ • One meson exchange 模型では交換相互作用が禁止 • 質量依存性はどうか？ • 中性子星への影響 • X-は負の電荷を持つので、中性子星では早く現れるかも • XA 相互作用、特にその質量依存性が大事 • S-が重要であると考えられてきたが、核内で強い斥力を受けることがわかってきた。

  6. 実験の原理 • 原子 – 波動関数を精確に計算可能 • 1次摂動 • Optical Potential の形を仮定すれば、1つの測定でその強さは決定可能。 • 数多くのデータがあれば、形も決定できる。 • 1次摂動が良い近似でない場合でもこれは成り立つ • 直接測定できる（ただし主に周辺部にのみ敏感） X原子核のSpectroscopy • p-, K-,`p, S-に対して実績ある、強力な手法

  7. l=n-1 (circular state) X l=n-2 l=n-3 ... Energy (arbitrary scale) ... Z nuclear absorption ... X Z ... l (orbital angular momentum) X ray energy shift – real part Width, yield – imaginary part

  8. ターゲットの選択 • Physics view: Batty et al. PRC59(1999)295 • あるX線に対して、最適なターゲットが存在する • 始状態での吸収は十分弱い • X線のエネルギーシフトと幅が最大 (~1 keV) • n=3,4,7,9のそれぞれに対して、9F, 17Cl, 53I, 82Pbを提案 • 最適なターゲット： Optical Potentialによって決まる  最初の実験の前にはわからない

  9. 最初の実験では・・・ • 実験的な理由で決める  鉄を選択 • 生成率: A-0.62（断面積がA0.38でスケール） • Xの静止確率: 高密度（r~10 g/cm3）のターゲットが必要(X- range: 10-20 g/cm2, bgct ~ 2cm) • ターゲットによるX線の吸収: significant at large Z  小さなZ（A)、でも高密度が必要 • 小池さんによる計算： 鉄の n=6  5 遷移 • Woods-Saxon potential: -24 - 3i MeV • Energy shift: 4.4 keV, width: 3.9 keV • 静止 X-あたりの収量： 0.1 (核による吸収がなければ~0.4)

  10. 実験のセットアップ K1.8 beamline of J-PARC

  11. (K-,K+)反応の測定 • KEK-PS K2ビームラインで使われてきたもの • Large acceptance (~0.2 sr) K- K+ 1.8 GeV/c 1.4x106/spill (4s)

  12. X線測定： Hyperball-J • ゲルマニウム検出器~40台 • PWO anti-Compton • ピーク効率 • 16% at 284 keV • 高レート耐性 • < 50% deadtime • キャリブレーション • In-beam, frequent • 精度 ~ 0.05 keV • エネルギー分解能 • ~2 keV (FWHM)

  13. 収量と実験精度の見積もり • ビーム量: 1.0x1012（800時間） • X-の収量： • 生成量:3.7×106 • 静止: 7.5×105 • X線の収量：　2500 for n=65 transition • 7200 for n=76 • 実験精度 • エネルギーシフト: ~0.05 keV (systematic dominant)  予想されるシフトに対して十分 (~1 keV)< 5%の精度になる • 幅: ~ 1 keVくらいまでは直接測れるX線の収量から、さらに情報が得られる。

  14. 予想X線スペクトル（1） n= 65 shift & width 0 keV

  15. 予想X線スペクトル（2） n= 65 shift & width 4 keV

  16. ダブルL核のg線測定（?） • stop X-あたり1%ぐらいの強度のg線まで観測可能　ダブルL核のg線が見えないか？ • ダブルL核はどれくらいできるのか？ • トータルでは～10％程度 • 12Cターゲットの場合の平田氏らの計算では、11LLBe, 10LLBeがそれぞれ3%ずつ  鉄でも多い核は3％かそれ以上できると期待 • Lは高い励起状態にできる。 • Xが角運動量（~5）を持ち込むことにも注意。  g線放出は高確率で起こりそう

  17. X L L 55Mn＋p+X- 10.2 56Fe＋X- 0(MeV) 28 MeV -0.6 56Fe-X- atom (n=6) 55Mn＋LL 1-2個核子を放出すれば、LLは十分核内にトラップされる（~10％？） -18 BL~21 MeV ×２ Nuclear Auger/蒸発 による核子放出 (2~３個) その後g線 57LLMn(g.s.) -60

  18. どのハイパー核？ • 57LLMn から典型的には4つぐらい核子が抜けそう。→ 53LLMn、53LLCr あたりか。 • 一番多くできるのは、single L ハイパー核 • これが最も困難なB.G. • 一番できそうなのは、54,５５LMn あたり。 • 実際には何が見えたかわからない？ • 通常核はReferenceがあるので識別可能。

  19. 希望はあるのか？ • 希望１： できる核は限られている。 • Q値から言って、できる核は数種類程度で、ある程度予測可能 • 12Cターゲットでの計算では10,11LLBeに強い集中が見られる。 　→　どなたか計算できませんか？ • 希望２： うまく行くパターンがありうる。 • Double L核の基底状態付近では、Lは2つとも0s軌道にいて、その自由度は死んでいる。 • 従って、強度の強い g線はコアの脱励起によるもの。

  20. うまく行く（かも知れない）パターン • 期待： g1,g2のエネルギーは、コア核の場合と　　　　ほぼ同じはず • 2つのgがcoincidenceすることを示し、 • その両方とエネルギーが近いg線を出すコア核を探す g1 g2

  21. 例：　53LLMnの場合 • 56Fe → 57XMnから4つ中性子が抜けたことを想定 • コア核は51Mn • Xが角運動量（L~5）を持ち込むため、スピンが比較的大きい状態ができやすいはず。 第2励起状態（Ex=1140 keV） からは、86%の割合で、第一励起状態へのg線が出る。

  22. 理論屋さんにお願いしたいこと • X線測定 • X線エネルギーの精密計算 • 各バリオン間相互作用モデルはどれくらいのエネルギーシフト（幅）を予想しますか？特徴はどこに現れますか？最適なターゲットは何ですか？ • ダブルL核：どのハイパー核がどれくらいできそうか、計算できませんか？ • 測定に成功したとして、その物理的意味は？ • 「コアの脱励起で、g線のエネルギーが余り変化しない」場合にだけ測定ができるとして、それから何がわかりますか？ • 回転モーメントはどれだけ変わりそうですか？ • 偶偶核の 0+-2+-4+が回転的振動的に変化したり、なんてことがありませんか？ • LL相互作用が顔を出す、なんてことは？軽い核？

  23. まとめと見通し • X原子からのX線を測定する実験提案 • X-AのOptical Potential • シリーズの最初の実験。世界初 • 実験手法の確立を目指す • 最初の実験としては、実験のやりやすさを主に考えて鉄をターゲットとして使用。 • X線エネルギーの測定精度 ~ 0.05 keV • 予想されるエネルギーシフトに対して十分良い (~1 keV) • 幅: ~ 1 keVまでは直接測れる。収量からの間接情報 • Byproduct: ダブルL核のg線分光 • 観測は多分可能 • IDがネックだが、うまく行く可能性はある

  24. 将来の見通し（希望） • J-PARCのPACにおいて Stage2 Approval （full approval!）を認められた。 • 実験に本質的困難はない。 • 2008年には準備ができている予定 • 2010年には最初の実験を行いたい。 • 最終のゴールは、各ｎから2つ程度のデータ • 鉄の結果を見て、次のターゲットを選定。 • 全部では１０点くらいのデータが得られる。 • 強さだけでなく、形の情報も得られる予定 • 見積もり通りなら、1-2週間で1つのターゲットの実験が可能 • もしダブルL核のg線が見える（そしてIDできる）なら、ダイアモンドターゲットを使った専用実験をやりたい

  25. Backup slides

  26. Fe target K- K+ X- X ray Summary of the experiment • Produce X- by the (K-,K+) reaction, make it stop in a Fe target, and measure X rays from X- atom. • Physics: • X-nucleus interaction (optical potential) • Real part – shift of X-ray energy (up to ~10 keV)Imaginary part – width, yield • Sensitivity • X-ray enerygy shift: ~0.05 keV  Good for expected shift of O(1keV) • Width: directly measurable down to ~ 1keV

  27. X核Spectroscopyの問題点 • 主にコア励起の問題 • 2つ以上の状態がある場合、それらを分離できなければ、位置・幅は正確に出せない。 • 特に幅を出す上で問題になる • そもそもピークが分離できない場合さえある KEK-PS E369 KEK-PS E522

  28. Yield estimation Y=NK x sXx t x WK x eK x RX x RX x (1-hX) x eX x eo • Beam: NK (total number of K-) = 1.0×1012 • Target: • sX：　(differential) cross section = 180 mb/srTaken from IIjima et al. [NPA 546 (1992) 588-606] • t: target thickness （particles/cm2） = 2.6x1023 • RX: stopping probability of X in the target = 20%(according to a GEANT4 simulation) • RX: branching ratio of X-ray emission = 10%(estimated by Koike) • hX: probability of self X-ray absorption in the target = 58%(GEANT4 simulation: mean free path for 284 keV X-ray is ~8 mm)

  29. K+ spectrometer • WK: acceptance = 0.2 sr • eK:detection efficiency = 0.51 (taken from the proposal of BNL-AGS E964 ) • X-ray detection • eX: X-ray detection efficiency = 8％[16% (GEANT4 simulation) x 0.5 (in-beam live time)] • Others • eo: overall efficiency (DAQ, trigger, etc.) = 0.8

  30. X-ray background • Estimation based on E419 • E419: 8 x 10-5 counts/keV/(p+,K+), around 284 keV • X-ray detection efficiency: x4 • Other effect:x2 (considering different reaction)  ~2400 counts/keV • Continuous BG is OK • Line background might be a problem, though unlikely. • there seem no strong lines in this energy from normal nuclei around A=50. • Completely unknown for (single) hypernuclei • Even weak lines may deform the peak shape

  31. Expected X-ray spectrum

  32. 1 keV S- 1 eV 1 keV 4 5 6 r(fm) 1 eV (weakly) attractive at peripheral (strongly) repulsive at center

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