高運動量ビームラインと核物質中でのハドロン質量の変化

高運動量ビームラインと核物質中でのハドロン質量の変化

小沢　恭一郎KEK

J-PARC ハドロン施設における事故

• ご迷惑をおかけしています。

• 5 月 23 日に発生した、 J-PARC ハドロン実験施設における放射性物質漏えい事故に関しては、以下のインフォーマル・ミーティングを開きます。– インフォーマル・ミーティング

　 SC 会場　 22 日 12:30~13:30説明者：　鈴木厚人機構長

　　　　　　　　齊藤直人 J-PARC 副センター長2013/9/20 JPS シンポ＠高知大学 2

J-PARC　高運動量ビームライン

2013/9/20 JPS シンポ＠高知大学 3

ハドロンとは？• 基礎的な観測事実

– クォークは、ハドロン内に閉じ込められている。– 内部 u, d, s クォークは、 Higgs 質量より重い。– しかし、 Pseudo-scalar meson は、軽い– フレーバー　対称性　 SUf （ N ）が存在　


Perturbative region• Current quark• SUL(N) X SUR(N)

Nonperturbative region• Constituent quark• SUV(N)• 質量の生成

• NG ボソンとしての p, K, h の出現

自発的対称性の破れ

ハドロンに対する理解

ハドロン物理

2013/9/20 5

• 理解したい物理過程– カラーレス粒子であるハドロンの相互作用の起源– ハドロン内部の構成（スピン、励起状態、…）– ハドロン質量獲得の過程

• 理解したい謎– 予想されているが見つからない共鳴状態– 単純クォーク模型では、説明の出来ない状態の存

在• Roper, Λ （ 1405 ）など

– 全く予想しない状態の発見• Belle における幅の狭い共鳴状態

JPS シンポ＠高知大学

実験でのアプローチ• QCD 媒質中でハドロン性質の測定

– 高温媒質中、原子核中でのハドロン– ハドロン性質の変化が QCD 媒質の変化を反映

• ハドロン内部の構造を反映する量の測定– スペクトロスコピー、構造関数– 励起状態や偏極状態による情報の追加

• 基本的なハドロン相互作用の測定– 散乱実験、束縛状態


一つの実験で得られる情報は限定的大目標に対する位置づけは、個々に議論が必要

高運動量・高強度の必要性• QCD 媒質中でハドロン性質の測定

– 高運動量によるハドロン生成断面積の増加– 高強度ビームを用いた高統計測定

• ハドロン内部の構造を反映する量の測定– 新たなフレーバー（チャーム）の導入– より広い運動学的領域における構造関数の測定

• 基本的なハドロン相互作用の測定– 散乱実験、束縛状態


高運動量・高強度の実現• 1 次陽子ビームを実験に利用

– 高強度• ２次生成粒子によるビームに比較して、 1,000 倍以

上のビーム量を実現可能

• 同ビームラインを 2 次粒子に利用– 高運動量の実現

• 高運動量を曲げるために必要な強い磁場と長い距離が得られる。


新高運動量ビームライン＠ J-PARCPrimary Proton Beam (30GeV), 1010-12 per spillHigh Momentum un-separated secondary beam (20GeV/c), 107 per spillPrimary Proton Beam (8GeV) for COMET

2013/9/20 9JPS シンポ＠高知大学

近未来のハドロンホール

高運動量ビームライン（建設予定）

核物質中でのハドロン質量


Mas

s [G

eV]

ハドロン質量スペクトラム


NG ボソンとしての擬スカラー中間子（ Jp=0- ）

構成子クォークの質量を獲得

• カイラル対称性の自発的破れに伴う質量の獲得

• π 中間子が異常に軽い（ Mp ~ 130 MeV/c2 ）ことは、対称性の自発的破れに伴う南部ゴールドストンボソンと理解

• 実際にカイラル対称性は破れている。– カイラルパートナーに質量差があることが知られている

研究対象• π 中間子と擬スカラー粒子

– 自発的破れに伴う南部ゴールドストンボソン

• σ 中間子– π 中間子のカイラルパートナー– σ 場が質量を生み出し、その揺らぎが σ 中間子となるという意味で、 QCD におけるヒッグス粒子

• カイラルパートナーの質量差– r(JP = 1-) 770 MeV/c2 , a1(JP = 1+) 1250 MeV/c2 　　　

• QCD 媒質内の反クォーク・クォーク凝縮量– “真空”の性質を表し、カイラル対称性の秩序変数として、質

量の大きさと密接に関係2013/9/20 JPS シンポ＠高知大学 12

反クォーク・クォーク凝縮量• 反クォーク・クォーク凝縮量と関係した測定量

– ベクトル中間子や軸性ベクトル中間子の質量分布– Weinberg type sum rule

– たとえば、自由空間中で、 t粒子の崩壊からの分布の測定がある。（ ALEPH, Phys. Rep. 421(2005) 191 ）

– 自由空間以外での測定は、実験的に難しい2013/9/20 JPS シンポ＠高知大学 13

Hatsuda, Koike and Lee, Nucl. Phys. B394 (1993) 221Kapusta and Shuryak, Phys. Rev. D49 (1994) 4694

さらに、反クォーク・クォーク凝縮量

• QCD sum rule をベクトル中間子の質量分布に適用し、凝縮量と関係づけられると示唆

• 実験的には、– ベクトル中間子質量分布の測定は可能– 原子核中や高温ハドロン物質中での測定も可能

• 内包する凝縮量の違いを反映する

• 質量獲得モデルや“QCD 媒質”状態予想の検証– 自由空間以外でのベクトル中間子の質量分布測定が基礎

情報として重要


Hatsuda and Lee, Phys. Rev. C46 (1992) R34

KEK-PS E325 実験へ• 原子核密度に対する面白い予想の存在

– 凝縮量と質量分布の関係と以下の仮定を基に予想• 質量分布の形

– 凝縮量の変化の効果をポール位置の変化に集約• 核子内の凝縮量の評価• 凝縮量は、密度に線形に変化

– 原子核中で、 18％（ ρ, ω ）と 1.8% （ φ ）の質量変化を予測

• 実験的に検証可能– 原子核中での崩壊により質量分布を測定– 終状態相互作用を避けるために電子対崩壊を選択– バックグランドや ρ-ω干渉に関する不定性を避けるため、 φ 中間

子に対して測定• φ 中間子の幅は狭い（ 4.3 MeV/c2 ）。質量変化が測定しやすい。• あらわなハドロン相互作用の効果は小さい。

– e.g. Binding energy of fN is 1.8 MeV (Phys. Rev. C 63(2001) 022201R)


Hatsuda and Lee, Phys. Rev. C46 (1992) R34

Hatsuda and Kunihiro, Nucl. Phys. B387 (1992) 715

KEK-PS E325 実験の概要


12 GeV proton induced. p+A f + X

Electrons from f decays are detected.

TargetCarbon, Cupper0.5% rad length

KEK E325

Clear measurements of f meson at KEK-PS.

2013/9/20 17

R. Muto et al., PRL 98(2007) 042581

Indication of QCD-originated mass modification!

Cu

bg<1.25 (Slow)

e+e- invariant mass

Decays inside nucleusDecays outside nucleus

fmeson has mass modification

Modification is shown as an Excess

fmeson has NO mass modification

Blue line shows expected line shape including all experimental effectswo mass modification

The only one measurement on medium modification of f meson.


182013/9/20

Target/Momentum dep.bg<1.25 (Slow) 1.25<bg<1.75

Only one momentum bin shows a mass modification under the current statistics.

To see clear mass modification and establish QCD-originated effects, significantly larger statistics are required.

e+e- invariant mass

Two nuclear targets:Carbon & CopperInside-decay increases in large nucleus

Momentum binSlowly moving f mesons have larger chance to decay inside nucleus

Same as previous slide

Excess


KEK-PS E325 で得られたもの• 原子核中での φ 中間子の質量分布変化を示唆するデータ

• 得られた分布を φ 中間子の質量ピーク位置の変化として解釈すると、 3% の変化

• 初田 -Lee 予想と Consistentだが、偶然かもしれない。– 核子内の <ss>凝縮量は、非常に小さいという Lattice の計算（ H. Ohki et. al, Phys. Rev. D 78(2008) 054502 ）

– 密度に対する凝縮量の線形近似– 中間子生成過程、中間子崩壊点の密度の不定性


次に、何を目指すか？• KEK-PS E325 の結果の Confirm

– 世界的にも、他に φ 中間子の結果は得られていない。

• 原子核密度における質量分布の確立– 凝縮量との関係に対する議論に耐えられるデータ– 生成過程、密度分布などの不定性の小さいデータ

• 単なる質量分布を超えた測定– 媒質中で質量に対応するものは、エネルギーと運動

量の分散関係


J-PARC での実験の目標

2013/9/20 21

Pb

Proton

A clear shifted peak needs to be identified to establish QCD-originated effects

Momentum Dependence

E325 results Extrapolate

JPS シンポ＠高知大学凝縮量の評価を可能にする高統計測定

さらに、


Pb

fModified f

[GeV/c2]

f from Proton

Invariant mass in medium

ff

ff

ff

ff

p dep.

Dispersion relation

Experimental set up


Cope with 1010 per spill beam intensity (x10)Extended acceptance (90 in vertical) (x5)Increase cross section (x2)

Construct a new beam line and new spectrometer

Deliver 1010 per spill proton beam Primary proton (30GeV) beam

New high momentum beam line

Detector components

2013/9/20 24

100x100 200x200 300x300

Position resolution of 100m is achieved

GEM Tracker

HBD (Hadron-Blind Cherenkov detector )

Both detectors based on Gas Electron Multiplier (GEM) technology Recently, we succeed making a proto-type which meets our experimental

requirements. Now, we are preparing a mass production of detectors.

Key Technology:CsI evaporated GEM as a photo cathodeQ.E. of 40% is achieved


まとめ• ハドロン物理で新たな実験を遂行するた

めに、 1 次陽子と高運動量 2 次粒子を用いる高運動量ビームラインが建設される予定である。

• KEK-PS E325 での、 φ 中間子質量分布の核内での変化を示唆する測定結果を受けて、核内反クォーク・クォーク凝縮量の議論に耐えられる高統計データ収集を J-PARC で目指す。2013/9/20 JPS シンポ＠高知大学 25

バックアップ


Which is the best, /r w or f?• /r w

– Dynamical mass contribution is dominantMp ~ 130 MeV/c2 Mr ~ 770 MeV/c2

– Large hadronic effects and background issues are large• f

– Still, dynamical mass contribution is dominantMh ~ 550 MeV/c2 Mf ~ 1020 MeV/c2

– Narrow width ( 4.3 MeV/c2)• Small background issue

– Small effects of hadron-hadron interactions• e.g. Binding energy of fN is 1.8 MeV (Phys. Rev. C 63(2001) 022201R)

2013/9/20 27

To see QCD-originated effects, f meson is the most promising probe.


Current status of experiments

• High energy heavy ion collisions– SPS-NA60 (PRL 96 (2006) 162302)

• Modification of r meson due to hadronic effects– RHIC-PHENIX (PRC81(2010) 034911)

• Origin of the enhancement is under discussion

• Nuclear targets– CBELSA/TAPS (Phys.Rev. C82 (2010) 035209)

• Modification of w is not observed– J-LAB CLAS G7 (PRL 99 (2007) 262302)

• Mass broadening of r due to hadronic effects– KEK-PS E325 (PRL 96 (2006) 092301)

• Peak shift and width broadening of /r w

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Several hadronic and experimental effects cause difficulties in /r w measurements.

Most measurements are done for /r w mesons

Large uncertainty in background subtraction method


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<ss> & f-meson mass <ss>(r) (ss condensate in medium whose density is r ) is relevant the f

mass in nuclear matter under the QCD sum rule analysis by Hatsuda & Lee (PRC46(92)R34 : HL92)

linear approx. : <ss>(r)=<sbar s> (vac) + <N|ss|N> x r

<N|ss|N> is evaluated using (old value of) y and p-N sigma term

Recently <N|ss|N> (so called “ strange quark content of the nucleon”) is calculated with Lattice QCD

found to be smaller than the assumed value in HL92, however, agree within the error

fTs

= ms/m

N <N|ss|N>

ms=80MeV

arXiv:1208.4185

高運動量ビームライン と 核 物質中でのハドロン質量の変化

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