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幅広い質量数領域における新たな Λ ハイパー核分光実験 (JLAB E05-115) 用 散乱電子スペクトロメータ HES の設計

幅広い質量数領域における新たな Λ ハイパー核分光実験 (JLAB E05-115) 用 散乱電子スペクトロメータ HES の設計. 藤井　優 東北大学・理・物理. JLab 鳥瞰図 @ 米国バージニア州. E01-011 Collaborators 集合写真. JLab E05– 115 collaborators in proposal ~ 19 機関から 87 人. Dept. of Phys. Tohoku Univ.

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幅広い質量数領域における新たな Λ ハイパー核分光実験 (JLAB E05-115) 用 散乱電子スペクトロメータ HES の設計

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  1. 幅広い質量数領域における新たな Λハイパー核分光実験(JLAB E05-115)用 散乱電子スペクトロメータHESの設計 藤井　優 東北大学・理・物理 JLab 鳥瞰図@米国バージニア州 E01-011 Collaborators 集合写真 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  2. JLab E05– 115 collaborators in proposal ~ 19機関から87人 Dept. of Phys. Tohoku Univ. Y. Fujii, O. Hashimoto, H. Kanda, M. Kaneta, D. Kawama, K. Maeda, N. Maruyama, A. Matsumura, S.N. Nakamura, K. Nonaka, Y. Okayasu, M. Sumihama, H. Tamura, K. Tsukada, Y. Miyagi Dept. of Phys. Hampton Univ. O.K. Baker, L. Cole, M. Christy, P. Gueye, C. Jayalath, C. Keppel, S. Malace, E.K. Segbefia, L. Tang, V. Tvaskis, L. Yuan Dept. of Phys. Florida International Univ. A. Acha, W. Boeglin, L. Kramer, P. Markowitz, N. Perez, B. Raue, J. Reinhold, R. Rivera Dept. of Phys. Yamagata Univ. S. Kato Institute of Particle and Nuclear Physics High Energy Accel. Res. Org. (KEK) H. Noumi, Y. Sato, T. Takahashi Laboratory of Phys. Osaka Electro-Comm. Univ. T. Motoba Dept. of Phys. Univ. of Houston Ed. V. Hungerford, K.J. Lan, Y. Li, N. Elhayari, S. Randeniya, N. Klantrains Thomas Jefferson National Accel. Facility P. Bosted, R. Carlini, V. Dharmawardane, R. Ent, H. Fenker, D. Gaskell, M. Jones, D. Mack, J. Roche, G. Smith, W. Vulcan, S. Wood, C. Yan Yerevan Physics Institute R. Asaturyan, H. Mkrtchyan, A. Margaryan, S. Stepanyan, V. Tadevosyan Nuclear Physics InstituteLanzhou Univ. X. Chen, B. Hu, S. Hu, Y. Song, W. Luo, B. Wang Dept. of Physics / Applied Phys. Univ. of Zagreb D. Androic, M. Furic, T. Petkovic, M. Planinic, T. Seva Dept. of Phys. North Carolina A&T State Univ. A. Ahmidouch, S. Danagoulian, A. Gasparian Dept. of Phys. Louisiana Tech Univ. N. Simicevic, S. Wells Dept. of Phys. James Madison Univ. G. Niculescu, M.-I. Niculescu Dept. of Phys. Univ. of North Carolina at Wilmington L. Gan Dept. of Phys. Duke Univ. M.W. Ahmed Dept. of Phys. Univ. of Maryland F. Benmokhtar, T. Horn Dept. of Phys. Southern Univ. at New Orleans M. Elaasar Phys. and Astro. Dept. California State Univ. Ed F. Gibson 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  3. JLab E05-115 実験の目的 (e,e’K+)反応を用いたラムダハイパー核スペクトロスコピー 28Si ,51V, 89Y (およびCH2,C)標的を用いた、 高分解能 (<400 keV FWHM) 　　　かつ 高統計 (e.g. 11/(100nb/sr)/h for 51LV) のハイパー核励起エネルギースペクトルから、 ラムダハイパー核の微細構造 ~ core excited states LN スピン依存相互作用からくる準位分離の直接観測 などを探る 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  4. 12C(e,e’K)12BL E89-009 final Private communication 12C(e,e’K+)L12B (e,e’K+)反応を用いたΛハイパー核分光実験の発展 at JLAB Hall-C 第１世代(世界初) E89-009(2000年) PRC73, 044607 (2006) 　　電子線を用いたΛハイパー核分光が可能であることを示した Data for 12LB, 7LHe エネルギー分解能 750 keV(FWHM), 収量 0.8/h for 12LB g.s, S/N=0.6 第2世代 E01-011(2005年) 23aSD4 岡安 High resolution Kaon Spectrometer (HKS)と“Tilt Method” 導入  DW(HKS)=16msr, Dp/p(HKS)=2×10-4 (FWHM) Data for 12LB, 6,7LHe, 9LLi, and 28LAl 第3世代E05-115(2008年予定) 本報告 他の実験 JLAB Hall-A E94-107(2004-5年) Data for 12LB, 9LLi, and 16LN 900 keV(FWHM) achieved, to be published soon 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  5. 1.2GeV/c K+ 0.3 GeV/c e’ HKS High resolution Kaon Spectrometer E01-011 での実験配置とkinematics ハイパー核生成を捉えるためには K および e’ 双方とも最前方で 捕らえる必要あり Splitter + K arm + e’ arm 2m K arm : 1 deg to 13 deg horizontal e’ arm : 7.7 deg vertical 1.8GeV Electron beam 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  6. HKS High resolution Kaon Spectrometer Jlab E05-115 の実験配置 • 特徴: • 新 Splitter • 新 散乱電子スペクトロメータ • の導入 New Splitter 2m 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  7. JLAB 12 GeV upgrade に柔軟に対応できる 実験 setup の設計目標および特徴 JLab E01-011実験のセットアップを基に、 • 1. Splitter magnet を既存C型Dipoleから新規設計したものへと • ・より良い光学的性質 (HES, HKS とのmatchingの最適化) • 2.Electron armを既存の Enge spectrometer から • High resolution Electron Spectrometer (HES) へと • 目標中心運動量 0.55 – 1.0 GeV/c •  Beam energy 2.05-2.5 GeV で実験可 • 目標運動量アクセプタンス ±100 MeV/c • 目標運動量分解能 2×10-4 (FWHM) 上記二点に関して報告 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  8. 1. New Splitter Design 2.5GeV beam 1.2GeV/c K+ 1.0GeV/c e’ 106 l/min (0.5MPa) 0.55GeV/c e’ 205 V x 1020 A x 224 turns Splitter TOSCA calculation 重さ 27 トン 大きさ 縦1250mm×横幅2445mm 磁場 1.8 T 偏向角 31~45度 磁極間隔 19 cm (Poleを真空箱の一部として利用) 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  9. 2. HES Magnet Design (Small version of HKS) HES • Q1 (2.7 トン) 磁場勾配 7.8 T/m 長さ 60 cm ボア直径 20 cm (有効全幅 46 cm) • Q2 (3.05 トン) 磁場勾配 5.0 T/m 　 長さ 50 cm ボア直径 25 cm (有効全幅 61 cm) • Dipole (36 トン) 　　　　　磁場 1.65 T 偏向角 50 度 曲率半径 220 cm 有効磁極間隔 17 cm (磁極間隔 19.4 cm) 有効磁極幅 53 cm HKS D Q2 Q1 New Splitter 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  10. HES-HKS 系の 3D CAD図 HES HKS Splitter 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  11. 総合性能 HKS (Dp/p=2×10-4 FWHM, DW=8 msr) との組み合わせで、 Ebeam=2.5 GeV rtarget=100 mg/cm2 において、 cf. E89-009 : 0.7/(100 nb/sr/h), 750 keV FWHM for 12C 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  12. HKS+ENGE(旧)と HKS+HES(新)での利用可能な Beam energy の比較 ENGE HES Acceptable Central Energy (GeV) 0.3 0.4 0.6 0.8 1 Ee’ (GeV) 1.8 1.9 2.0 2.2 2.4 2.5 2.1 Ee at Hall (GeV) Etop2pass (GeV) 4.4 4.55 5.0 6.0 Etop1pass (GeV) 9.45 10.3 10.8 12.0 06/9/22JPS秋季大会@奈良女 Note: JLAB には A,B,C ３実験室、5(5.5)周で最大エネルギー、任意の周回数で取出しができる

  13. まとめ JLAB E05-115 実験は、 • 28Si, 51V, 89Y といった中重核までに対する(e,e’K+) 反応分光実験 • ハイパー核の微細構造(core excited states, ls splitting 等)を見ることを目的 この実験では、 • Splitter 磁石の更新(以前は既存C型Dipole の流用) • 散乱電子スペクトロメータの更新(以前は手持ちの Enge spectrometer を流用)  主要3要素(Splitter, K-arm, e-arm)全てが(e,e’K+)反応用に特化されたものに を行うことにより、 • JLAB の 12GeV upgrade への柔軟な対応 • Splitter 及び散乱電子スペクトロメータの光学的性質のより良い理解 などが可能となった。 今後 • 検出器系 (Drift chamber, Trigger hodoscope) の設計、製作 • HES系のJLABへの輸出(2007年度前半) • 本実験(2008年予定) 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  14. HES の単体性能 • 磁石構成 DQQD 水平 (31~45)+50 度偏向 • 中心運動量 0.55 – 1.0 GeV/c • 運動量アクセプタンス > 200 MeV/c • 運動量分解能 2 × 10-4 (FWHM) • 散乱電子検出角 水平 : 0 度 垂直 : < 10 度 • 立体角 5~10 msr 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  15. 仮想光子束角度分布と、各acceptance 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  16. PS, Water requirement • HKS • Q1 160Vx1000A (102Vx600A);50 l/min (0.6MPa) • Q2 160Vx1000A (50Vx400A);17 l/min(0.4MPa) • D 252V x 1254A (Mitsubishi); 135 l/min (0.4Ma) • D-PS 73 l/min (0.9MPa) • HES • SPL 205x1020A (106 l/min,0.5MPa) • Q1 110Vx880A (41 l/min,0.5MPa) • Q2 110Vx880A (42 l/min,0.5MPa) • HES D 233Vx1100A PS (from Japan) 150 l/min+70 l/min(PS) Design input 35 C (95 F) D 30 K (18F) 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  17. Splitter 図面 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  18. Q1 図面 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  19. Q2 図面 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  20. Dipole 図面 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  21. HES の Tilt 例(7.5度) 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  22. “Tilt method”のコンセプト(E01-011の例) • 散乱電子 • (0.2 to 0.4 GeV/c) • (1) Bremsstrahlung • (2) Møller scattering • (3) Virtual photons 制動放射およびMøller散乱 からの電子を避けるため、 散乱電子スペクトロメータを 垂直方向7.74 度方向に傾ける 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  23. Expected hypernuclear production ratesin the (e,e’K+) reaction Calculated hypernuclear cross sections Hypernuclear production rates (Target thickness 100 mg/cm2) 06/9/22JPS秋季大会@奈良女 Motoba, Sotona

  24. 51LTi and 51LV spectra KEK SKS data Simulation 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  25. HES の磁石配置例 1.0 GeV/c HES HKS 0.6 GeV/c New Splitter 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  26. Drawing of the HES + HKS HES HKS New SPL Splitter TOSCA calculation 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  27. 12LB 12LB spectrum • エネルギー分解能 : 半値幅750keV 反応分光としては世界最高 • (e,e’K+)反応の実用性を実証 • 12LB 基底状態の束縛エネルギー: • 原子核乾板のデータと一致 • 問題点 • 偶然同時計数が非常に多い • S/N=1 • 左記データに正味一ヶ月 赤:実験データ 黒: 断面積 :元場 et al. 励起エネルギー:Millener 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  28. 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  29. Enge time(target) 解析方法 • K+ arm : background(e+,p+,p)を除去。 • 散乱電子とのTrue coincidenceを選ぶ。 Beam RF 499MHz 2ns structure Coincidence time= Enge time (target)- SOS time (target) 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  30. E89-009実験 ~ 世界初の電子線によるハイパー核生成実験 ○ beam energy : 1.721, 1.864 GeV (photon energy 1.4-1.6GeV  total cross section 最大) ○ 収量を最大にするkinematics : 生成K+最大 生成K+を2degで検出 生成virtual photon最大 散乱電子を0degで検出 （両方のスペクトロメータを 極小角に設置できないので Splitter magnet を用いる） 代償 : bremsstrahlung電子による バックグラウンド(108/sec)がビーム量を制約 ○Beam current : < 0.6mA(for 12C) 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  31. 0deg 7LHe spectrum (theoryと比較) O. Richter, M. Sotona, and J. Zofka Phys. Rev. C43 2753 (1991) 10deg -BL(MeV) 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  32. Mass scale calibration (更新) p(e,e’K+)L/S with CH2 target Accidental coincidence MHY - ML(MeV/c2) Old tune : P e’ , dp/p(SOS) P beam P0(SOS) 一定 Beam stability 2x10-5 ビームの絶対値 ~10-4 P0(SOS)  Splitter が入ったことで数MeVのoffsetが生じうる New tune : Pe’,dp/p(SOS),Pbeam,P0(SOS) 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  33. e.g. 12B = 11B+L L ハイパー核とは? ハイパー核 = 原子核 + ハイペロン (L,S etc.) • 新しい自由度 ~ ストレンジネス ~ を持った原子核 • 核内深部のハドロン一粒子軌道 • - Lの単一粒子描像 • 原子核構造の変化 • -大きさ, 殻構造, クラスター構造 etc. • バリオン間相互作用 • - flavor SU(3) 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  34. 7LHe ハイパー核 6He と L の束縛系 • 存在は確認 • 原子核乾板実験より • その他の素性は一切不明 • BL(g.s), 準位構造等 理論計算: Lの “glue-like role”の典型例 Hiyama et al., Phys. Rev. C53 2075(1997) 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  35. 7Li(e,e’K+)X spectrum O. Richter, M. Sotona, and J. ZofkaPhys. Rev. C43 2753 (1991) 6He+L threshold 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

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  37. Jefferson Lab の紹介１ アメリカ東海岸 Virginia州 Newport News 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  38. Jefferson Lab の紹介２ 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  39. Jefferson Lab でのハイパー核分光実験 Hall C : E89-009 PRL 90, 232502 (2003) 12LB, (7LHe) E91-016 PRL 93, 242501 (2004) 3,4LH E01-011 先月終了 12LB, 28LAl, 10,11LBe, 6,7LHe …. Hall A : E94-107 終了 12LB, 9LLi, 16LN 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  40. ハイパー核の生成方法 Lab. cross section at 0deg • 中間子を用いたもの 素過程 • (K-,p-) 反応 @ BNL-AGS nK-  Lp- 5 mb/sr • (p+,K+) 反応 @ KEK-PS np+  LK+ 0.5 mb/sr • - 比較的大きな生成断面積 • - 二次中間子ビームの利用 ~ エネルギー分解能を制限 • 1.5 MeV (FWHM) with SKS at KEK • 電磁相互作用を用いたもの • (e,e’K+) 反応 g*p  LK+ 2 mb/sr • - 生成断面積は中間子によるものより２～３桁減 • ~ 高品質の一次ビームで補って余りある • - e’ and K+ともに前方角で測定することが必要 • ~ 複雑な実験セットアップを要求する • - 一次ビームの使用 ~ MeV 以下の分解能が得られる 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  41. 電子線を用いたハイパー核分光実験のできる施設電子線を用いたハイパー核分光実験のできる施設 唯一 : Jefferson Lab の超伝導連続電子線加速器 Duty factor : 100% エネルギー幅 : 2.5×10-5 エミッタンス : 2µm•mrad 最高エネルギー ：5.5 GeV 最大電流 : 200 mA 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  42. Eg=1.4~1.6GeV → 素過程断面積最大 Jlab E89-009実験 ~ 世界初の電子線によるハイパー核分光実験 特徴: K+, e’ ともに最前方で捕らえる qe’=0deg ~ 仮想光子収量最大 qK=2deg ~ K+収量最大 Ebeam=1.721, 1.864 GeV pe’=0.2~0.32GeV/c pK=1.2GeV/c20% 0度方向で測定するデメリット: 制動放射電子によるバックグラウンド(108/sec)が ビーム量を制約、多量の偶然同時計数 Ibeam< 0.6 mA (for 12C 22 mg/cm2) 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  43. + K Splitter Magnet Electron _ Q + Beam K D D Target Focal Plane ( SSD + Hodoscope ) Beam Dump 電子ビーム Jlab E89-009の実験セットアップ Kaon arm : SOS spectrometer Momentum resolution : 5×10-4 Solid angle : 6msr SOS Spectrometer -4 Resolution 5 x 10 Solid angle 9 msr(6msr with splitter) Side View Target _ D D Q Top View (1.645 GeV) 0 1m Electron arm : ENGE spectrometer Momentum resolution : 5×10-4 Solid angle : 1.6msr 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

  44. Jlab E01-011 で期待される成果 12LB, 28LAl, 10LBe, 11LBe, 6,7LHe …. に対する質量スペクトルが、 • <400 keV (FWHM) の高分解能 • 高統計(E89-009の30倍の収量) • 高SN比(10:1) Jlab E89-009 (e,e’K) Jlab E01-011 (e,e’K) で得られる。 12LB 06/9/22JPS秋季大会@奈良女

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