鉄核媒質中の閾値近傍における中性 π 中間子生成実験クォーク物理学研究室

坂田博和

研究目的中性 π 中間子の閾値近傍 ( 135MeV)≒ における生成断面積測定

π0 の生成閾値近傍における生成過程は完全に理解されていない。• 核媒質中で生成された π0 の質量測定

• 核媒質中のように周囲の密度が高い環境下でπ0 を生成し，カイラル対称性の部分的回復による質量変化の観測。 中性 π 中間子 ( 略して π0)

電荷 : 0質量 : 135 MeV/c2

寿命 : 8.7×10-17 秒

測定原理

150MeV 電子線を標的に入射し π0 を生成 e- + A → e- + A + π0

崩壊光子のエネルギーを測定し、 π0 イベントを検出π0 は寿命 8.7×10-17 秒で約 99% で 2γ へ崩壊π0 はほぼ静止しているため、正反対方向へ約

67.5MeV の 2γ を放出

Ae-π0 π0

γ

γ150MeV 電子線を入射 π0 が生成 π0 が２ γ に崩壊

背景

昨年度、広島大学 VBL 内にある超高速電子周回装置の150MeV 電子引出しラインに於いて π0 生成実験を行った。

結果、 150MeV 電子線と核子の間において　　　　　　　 σ(e-, N)=0.07±0.04μb が得られた。 課題

統計量不足 バックグラウンドイベントをシミュレーションより見積もり

電子ビーム

標的 ( 黒鉛 ) 電磁カロリーメーター

1 アーム3×3 配置 9 本組み電磁カロリーメーター

本実験の改良点 3×3 　 9 本組み 4 アーム

統計量　 2 倍 バックグラウンド測定

標的に 1×1×2cm の鉄 統計量　 6 倍　

変更

バックグラウンドの見積もり約 12 倍の統計量

標的（黒鉛）

標的（鉄）

実験方法

コリメーターで 8mm にビームを絞る 電子ビームがシンチ 1,2,3 を通過したことを要求

ビーム出射口

800mm

8mm コリメーターシンチ 1

シンチ 2,3

鉛ブロック

シンチ 4

暗箱

鉄標的へ約 1.3kHz の頻度で 1.3×105 秒間照射した

電子ビーム

データ検証欲しいイベント

π0 生成イベントπ0 バックグラウンドイベント

π0 が生成したイベントは 2 アームのみヒット

二つのアームにだけヒット したイベントが解析対象 上と下、右と左 上と右、右と下、下と左、左と上 計６通り

上右

下左

上と下アームにだけヒットしたイベント上アームと下アームのエネルギー分布とその相関図。

赤枠が、 π0 イベントと考えられるエネルギー範囲上アーム 下アーム

[MeV] [MeV]

各組み合わせにおける、２アームのエネルギー相関　 ( フルスケール 150MeV)上 ( 縦軸 ) ：下 ( 横軸 )

右：左

上：右 右：下

下：左 左：上

イベント選択ビーム出射口 シンチ 1

シンチ 2, 3

シンチ 4

飛行時間分布（シンチ３を基準）横軸：粒子の飛行時間縦軸：イベント数シンチ１ シンチ２

シンチ３ シンチ４

シンチ１ シンチ２

シンチ３ シンチ４

イベント選択 　–２アームの反応時間差カットπ0 イベントでは、 ２ γ が同時に２つのアームへ入射　⇒　２アームは同時に反応

上と下アームにだけヒットしたイベントにおける、上と下アームの反応時間差

カット後の、各組み合わせにおける２アームのエネルギー相関　 ( フルスケール 150MeV)上 ( 縦軸 ) ：下 ( 横軸 )

右：左

上：右 右：下

下：左 左：上

π0 イベント数

以上より

となり π0 は検出されなかったと考えられる

組み合わせ イベント数 π0(like) イベント上　と　下 522 1

右　と　左 1171 2

上　と　右 1197 0

右　と　下 2177 3

下　と　左 1473 13

左　と　上 811 0

056581616933

1693 イベント中3 イベント

5658 イベント中16 イベント

π0 生成断面積の上限値入射電子線のフラックス 　 F = (1.329±0.139) ×103 cm-2s-1

標的中の核子数 　 N = 9.44×1024 cm-2

検出効率 　 eff = 3.55 % ( シミュレーションより )

全測定時間 　 t = 1.304 ×105 s

b0.0040.04344.2)N,e(

FeffNt

検出された事象数が 0 の時、　期待される事象数の真値は 90% の信頼性で 2.44 以下

（信頼性 90% ）

結論 ４アーム電磁カロリーメーターにより、 π0 に対するバックグラウンドの見積もりが可能となった。 150MeV 電子線と鉄標的の反応において、電子と核子の間における π0 の生成断面積の上限値

0.043±0.004μb （信頼性 90% ）を得た。

終わり

π0 イベント数

以上より

より、 π0 生成断面積　 0.034±0.025μb

組み合わせ イベント数 π0(like) イベント上　と　下 522 1

右　と　左 1171 2

上　と　右 1197 0

右　と　下 2177 3

下　と　左 1473 13

左　と　上 811 0

22008

011712

1171 イベント中2 イベント

2008 イベント中0 イベント

GEANT4 シミュレーションにおいて、本実験セットアップで同じ測定条件 (4.0MeV のトリガー閾値 ) を課した場合の、向かい合ったアーム全体に落とすエネルギー分布の相関

PWO 短い放射長と Moliere 半径

結晶 密度[g/cm3]

放射長 [cm]

Moliere 半径 [cm]

崩壊時間[ns]

光量[NaI 比

]PWO 8.28 0.89 2.2 5 ～ 15 0.01

BGO 7.13 1.12 2.4 300 0.15

NaI(Tl) 3.67 2.59 4.5 250 1.00

CsI(Tl) 4.53 1.85 3.8 565 0.40

組成式 : PbWO4

高細分化可能な電磁カロリーメータ !! 20cm20cm

PWOPWO

各アーム全体のエネルギー分布 縦軸：イベント数 横軸：エネルギー ( フルスケール 200MeV)

上アーム 右アーム

下アーム 左アーム

本研究の目的 核媒質中のように周囲の密度が高い環境下で中性 π 中間子を生成し，カイラル対称性の部分的回復を議論 核媒質中で生成された中性 π 中間子の質量測定 150MeV 電子線を黒鉛標的に入射

核媒質中で静止した中性 π 中間子を生成

崩壊光子のエネルギーを測り不変質量を得る． 150MeV 電子線ではどの程度の中間子が生成されるか測定

Ae-π0A + π0

γ

γ150MeV電子線を入射 中性 π中間子が生成される 中性 π中間子が２ γに崩壊

セットアップ構成を決める標的を決める

π0 からの 2γ の生成過程（予測）① 電子 (150MeV) の制動放射より 145MeV 以上の γ 生成

② p + γ(>145MeV) → Δ+

③ Δ+ → p + π0

④π0 　→ 2γ

上記の過程の断面積を予測できる範囲で物質ごとに調べる• 制動放射をする断面積• 制動放射によって 145MeV 以上の γ を出す確率• 145MeV 以上の γ が標的中で反応する確率• π0 からの 2γ が標的より飛び出せる確率　次ページより、これらを順に調べていく

～ 8/5

セットアップ構成を決める　～標的を決める～制動放射をする断面積

炭素において 0.1～ 149.9MeV の制動放射をする断面積7.1×10-20cm2 より、入射してすぐ (1.3×10-4cm) で反応。

　※ 1～ 149MeV の制動放射をする全断面積でも 4.9×10-20cm2 ⇒軽い炭素でも即座に制動放射するため、標的選びには考慮しない。制動放射で 145MeV 以上の γ が出る確率

物質によらずほぼ 0.34% の確率で生成する。• 条件　 0.1～ 149.9MeV の制動放射を対象とする　　　　標的に入射して一回目の制動放射だけを対象とする。　⇒ 物質の種類には殆どよらないため、標的選びには考慮しない

※ここでは、完全にスクリーニングされた場合の制動放射を考えている

145MeV 以上の γ が標的中で反応する確率 標的中を 2cm 飛んで反応する γ( 約 150MeV) の割合を調べる

• 光の物質中を通過した後の強度は　　　　　　　　　　　　 λ: absorption length(g/cm2)　　　　　　　　　　　　 t : thickness (in mass/unit area)　を使うことにより求めた

セットアップ構成を決める　～標的を決める～

2cm

標的

ビーム

x

x

)/exp(0 tII

物質 密度[g/cm3]

thickness[g/cm2]

absorption length for 150MeV [cm]※

強度[I / I0]

反応率[1 - I / I0]

C 2.27 4.54 65 0.93 0.07

Si 2.33 4.66 32 0.86 0.14

Fe 7.87 15.74 21 0.47 0.53

Sn 9.31 18.62 12 0.30 0.70

Pb 11.35 22.7 10 0.10 0.90

※ここでの Absorption length は Particle data book に記載されているものを用いている

π0 からの 2γ が標的より飛び出せる確率 標的の中心で反応が起こり、最短経路を通過した場合に

2γ が飛び出せる確率を、標的の大きさ x に対して調べる。ここでも同様に　　　　　　　　より計算した。　 2γ が同時に飛び出せる確率は　　　　　　　　 となる。

セットアップ構成を決める　～標的を決める～

2cm

標的

ビーム

x

x

)/exp(0 tII )/2exp(0 tII

2γ が同時に標的を飛び出せる確率

x[cm]

x

セットアップ構成を決める　～標的を決める～よって、 Particle Data Book に Absorption length が載っていた「 C, Si, Fe, Sn, Pb 」の 5 つの物質に対して、

を調べた。（下図）145MeV 以上の γ が標的中で反応する確率　× 　 π0 からの 2γ が標的より飛び出せる確率

2cm

標的

ビーム

x

x

よって、 REFER のビームの状態にもよるが、おそらく

　　　　　　　　　　最適な標的は　　　　　　　　　　最適な標的は Sn or FeSn or Fe と考えられる！

スコア

各条件に対しての予想される π0 イベント数平下実験より

物質 ビーム軸方向の長さ [cm]反応領域[cm2]

スコア スコア × 反応領域 π0 検出数[個 /28h]

C 2 2×1 0.068 0.14 6

物質 ビーム軸方向の長さ [cm]反応領域[cm2]

スコア スコア ×反応領域 π0 生成数[個 /28h]

C 2 1×1 0.068 0.068 3

C 2 2×2 0.066 0.26 11

Sn 2 0.5×0.5 0.54 0.14 6

Sn 2 1×1 0.41 0.41 18

Sn 2 2×2 0.25 1.0 43

Pb 2 0.5×0.5 0.54 0.14 6

Pb 2 1×1 0.32 0.32 14

Pb 2 2×2 0.11 0.44 19

これをもとに、ビームはエリアによらず均一として、同じセットアップで標的を変えた場合に予想される π0 検出数を調べると

電子線のフラックス： 1.5×103 cm-2 sec-1

予想される一週間 (28h) での π0 検出数 [個]

x[cm]

予想される一週間 (28h) での π0 検出数 (2arms detector)

[個]

x[cm]

各条件に対しての予想される π0 イベント数

予想される一週間 (28h) での π0 検出数 (4arms detector)[個

]

x[cm]

4 アーム、特に中心の PMT のゲインを揃える！或いは、 4 アームのディスクリの閾値をゲインに比例させる。実際の実験では、 π0 のシグナルの大きさは、大きいと考えられるので、ディスクリの閾値は、ダックレートと同じくらいになるように高めに設定する。標的の長さを 2cm にお願いしに行く。TDC のシグナルが変！