特別推進研究申請電磁プローブによるハイパー核の研究

平成１２年５月１７日（水）

東北大学大学院理学研究科橋本　治

原子核物理とストレンジネス核物理

•ハドロン多体系の構造•新しい励起相の出現

•バリオン（重粒子）間相互作用•フレーバーＳＵ（３）

•Multi Strangeness Matter へ•中性子星のハイペロン混合層•ストレンジレット等

ハイパー核

pn

pn

不純物注入加熱圧縮

通常の原子核

高温高密度核

クォーク・グルオン プラズマ

高速回転核超変形核

中性子過剰核

負電荷注入

n

回転

原子核物理

n

p

ーハドロン有限多体系の物理ー

スススススストトトトトトレレレレレレンンンンンンジジジジジジネネネネネネスススススス核核核核核核物物物物物物理理理理理理

n

奇妙さ量子数を持つハドロン多体系Λ 、 Σ 、 Ξ ．．．ハイペロンを含む

ストレンジネス核物理

Λ ハイパー核と分光研究の意義

高精度分光実験が可能

励起状態の崩壊幅が狭い

•ハドロン多体系のユニークな構造を究明•芯核励起、糊的役割、深部構造、等

•Λ Ｎ間相互作用の究明•中心力、スピンに依存する相互作用•バリオン間相互作用の統一的解明

二つの有効な実験的アプローチ•反応スペクトロスコピー•ガンマ線スペクトロスコピー

n or p

n

p

B

B pBn

208 Pb

207 Tl207 Pb

弱い相互作用による崩壊

中間子崩壊非中間子崩壊

< a few 100 keVNarrow widths

Likar,Rosina,PovhBando, Motoba, Yamamoto

ハイパー原子核の励起状態と崩壊様式

γ 崩壊

陽子放出

中中中→ 　　　　 陽子 → Λ 　　　　　　 コメント

(+,K+) (-,K0) 　　 stretched, high spin

in-flight (K-,-) in-flight (K-,0) 　　 substitutional

stopped (K-,-) stopped (K-,0) 　　 large yield

(e,e’K0) (e,e’K+) 　　 virtual (,K)

　　 spin flip, unnatural parity

(p,pK0) (p,pK+) 　　 virtual (,K)

(p,K+) (p,K0) 　　 very large momentum transfer

Λ ハイパー核分光のための主な反応

(K-,-),(+,K+), (e,e’K+) 反応の比較

q~100MeV/c l=0 substitutional statesS=0 J=0+

q~300MeV/c l=1,2 stretched statesS=0 J=1-,2+

q~300MeV/c l=1,2 stretched statesS=0,1 J=2-,3+

12

60

Rel

ativ

e St

reng

th

1-

1-

1-+2-

1-

2- 3+

3++2+

2+

12C(e,e’K+)12B

12C(+,K+)12C

12C(-,-)12C

2+

0+

Ex(MeV)

FWHM 2MeV

FWHM 2MeV

FWHM 0.6MeV

0 6

12

1260

電子線によるラムダハイパー核分光

ハイパー核分光の意義 ハイパー核分光は成り立つか 我々はハイパー核分光を確立した なぜ電子線によるハイパー核分光か 何が必要か

電子線によるラムダハイパー核分光の特徴

高分解能 大強度、良質の電子ビーム（一次ビーム）

小さなビーム・エミッタンス 陽子をラムダ粒子に変換

中性数が多いラムダハイパー核 さらに EXOTIC なハイパー核 荷電対称ハイパー核の研究

スピン反転振幅が大きい スピンに依存する相互作用を解明 ハイパー核構造の研究に有効

★ ガンマ線スペクトロスコピー 特定領域「ストレンジネスを持つ原子核」で成功ＳＫＳ＋Ｇｅ、ガンマ線放出状態に対して有効　　

ストレンジネス核物理

ハイペロン散乱弱崩壊

Ｓ＝ー２核

Ｋ原子

ＫＥＫ－ＰＳ　ＳＫＳで成功(+,K+) 反応 １．５－ 2 MeV

（１） 電磁相互作用による Λ ハイパー核生成　　　　　　　　　（ｅ，ｅ‘Ｋ＋）反応　 高分解能高効率Ｋ中間子スペクトロメータ　　　　　　３００ｋｅＶ分解能ハイパ－核分光（２） 実光子によるストレンジネス生成素過程の研究 中性Ｋ中間子測定に重点（３） 新しい Λ ハイパー核弱崩壊過程の研究

ハイパー核研究

★ （ π 、Ｋ）スペクトロスコピー

電子線、光子ビームによるハイパー核生成

東北大理・ジェファーソン研究所共同研究進行中科研費国際学術等、平成１０年９月ＭＯＵ締結、国際ワークショップ９９年１２月

・ハイパー核構造・ラムダ核子相互作用・核内ハイペロン弱相互作用

ラムダハイパー核分光を確立

２１世紀のハイパー核研究

Σ ハイパー核

2000.5

★ Λ ハイパー核弱崩壊幅の測定

中間子ビームによるハイパー核生成

Ｇｅ γ 線スペクトロスコピー超高分解能反応スペクトロスコピー精密弱崩壊実験S=-2 ハイパー核ハイペロン散乱

JHF, BNL...

KEKPS が世界の実験をリード 日本の理論家の大きな貢献

本申請

超高分解能　　＜３ｋｅＶ

エネルギー分解能の重要性

3 MeV resolution spectrum at BNL AGS

<2 MeV resolution spectrum at KEK 12 GeV PS

Sub MeV A few 100 keV

A comparison of ｔ he (+,K+) reaction and the (e,e’K+) reactions

for the hypernuclear physics

(+,K+) (e,e’K+) (e,e’K+)/(+,K+) SKS HNSS RATIO

Cross sectionsto 12

Cgr or 12Bgr 10 0.05 5x10-3

(b/sr) (,K+)

Target thickness 1 0.01 10-2

(g/cm2)

Beam intensity 106 109-10 103-4

(particle/sec) (virtual photon)

K+ momentum 0.72 1.2 (GeV/c)

K+ solid angle ~ 60 % ~ 15 % 0.25coverage (%) (100 msr) (6 msr) K+ survival rate(%) ~ 0.4 ~ 0.4 1(Flight path) (5 m) (8 m)

Overall 1.25 x 10-1~-2

SKS at KEK & HNSS at Jlab

4H,4

He 6He, 6

Li

7He, 7

Li, 7Be 9

Be

10Be, 10

B, 13C

軽い Λ ハイパー核のクラスター構造、荷電対称

中中

陽子または中性子

アルファ粒子

3H,(3

He)

肥山、上村

ハイパー核生成反応、世界の実験施設 π 、Ｋ中間子ビーム

KEK 　　　 12 GeV PS BNL 30 GeV AGS

陽子ビーム LEAR, SATUNE, COSY, …..

原子核ビーム BEVALAC （閉鎖） , Dubna,AGS

電子及び光子ビーム INS-Tokyo ES 1.3 GeV （１９９９閉鎖） JLAB 4 - 6 GeV Spring 8 8 GeV （光子のみ） Sendai 1.2 GeV （光子のみ） MAINZ 0.8 → 1.5 GeV(2003予定）

研究計画の要点

１．連続電子線ビーム　　　　　　　米国ジェファーソン国立研究所

２．標識化光子ビーム　　　　　　　東北大学原子核理学研究施設

• 軽い Λ ハイパー核の高分解能分光実験• ｐ殻より重い Λ ハイパー核の分光実験• 重い Λ ハイパー核の弱崩壊過程の研究

(e,e’K+) 反応により

(,K0) 反応により

•原子核をターゲットとする準自由 Λ ハイペロン生成•重陽子をターゲットとする +n→+n 反応の研究

電磁相互作用によるハイペロン生成素過程を究明

最高分解能反応スペクトロスコピー

ＫＥＫ－ＰＳを主とするこれまでの Λ ハイパー核分光研究の実績をもとにストレンジネス核物理をさらに発展させるために提案

電子線による高分解能ラムダハイパー核分光

ジェファーソン研究所電子線加速器が世界唯一の実験施設 大強度高質連続電子線ビームを安定に供給

２０００年３－５月に世界初の（ｅ，ｅ‘Ｋ＋）反応による１ＭｅＶ以下のハイパー核分光実験に日米共同チームで成功

分解能は既存のＫ中間子スペクトロメータによって制約されている Λ ハイパー核の検出効率もＫ中間子スペクトロメータの明るさが制約 分解能３００ｋｅＶかつ高効率のラムダハイパー核分光のために大立

体角高分解能Ｋ中間子スペクトロメータが必須 ストレンジネス核物理研究に画期的な貢献

高分解能、中性子過剰 Λ ハイパー核

提案するハイパー核スペクトロメータ１

Beam Dump

Target

Electron Beam

　　　　 Focal Plane( SSD + Hodoscope )

Splitter Magnet

K+

K+

QD

_D

0 1m

QD_D

Side View

Top View

Target

SOS Spectrometer Resolution 5 x 10 Solid angle 9 msr

ENGE SpectrometerResolution 2 x 10

(1.645 MeV/c)

Side View

（）

Resolution 2 x 10 Solid angle 30 msr

BEAMQ1Q2

TOF

CHAMBERK

New QQD Spectrometer

0 1m

D

-4

-4

-4

1.4

GeV

/c

1.2

GeV

/c

1.0

GeV

/c

+

提案するハイパー核スペクトロメータ２

New Kaon Spectrometer

Beam

To Beam Dump

Splitter magnet

configuration Q + Q + D

maximum momentum 1.2 GeV/c

dispersion 4.7 cm/%

momentum resolution 2 10-4 (FWHM)

solid angle 30 msr

flight path length 8.2 m

angular acceptance 4.3 degrees

momentum acceptance 10 %

maximum dipole field 1.6 T

conductor normal

Design performance of the kaon spectrometer

ENGESplit-PoleSpectrometer

1m

Target

標識化実光子によるハイペロン生成素過程の研究

1.2 GeV 　周回電子ビームからの標識化光子ビームを利用

Good Duty Factor

• これまでの研究BONN SAPHIR 荷電Ｋ中間子測定を中心に電磁相互作用による

　　　　　　　　　　　　　　　　　ハイペロン生成素過程を研究　　　　　　 INS-ES 標識化光子による原子核（１２Ｃ）をターゲットとした　　　　　　　　　　　　　　　　　 12C(,K+)準自由反応の研究

• 本研究• 荷電が関与しないハイペロン生成過程の実験的研究• 電磁相互作用によるストレンジネス生成過程を明らかにする上で　重要な反応• ジェファーソン研究所における (e,e’K+) 反応によるハイパー核生成過程　を研究する上で必須

1999 年 核理研グループ光子標識化に成功済

東北大学原子核理学施設に設置される中性Ｋ中間子スペクトロメータ

0 5m

第２実験室

ストレッチャーブースターリング(電子を 1.2GeVに加速、保持 )1.2GeV光子発生装置

中性Ｋ中間子スペクトロメータ

ＰＭＴ用高圧電源フロントエンド

　エレクトロニクス

0.9-1.1GeVガンマ線

200MeV電子ビームfrom LINAC

計測室へ

SweepMagnet

固体重水素標的

これまでの経過

•1997-1998 　科研費国際学術研究（橋本ー Hungerford教授）•1997-1999 学振日米共同研究（橋本ー Hungerford教授）•1997 年 8 月　Ｓｉ Λ ハイパー核の分光実験提案採択（実験責任者：橋本）•1998 年 1 月　国際ワークショップ（ＳＥＮＤＡＩ９８）開催（議長：橋本）

•Spectroscopy of Hypernuclei 、８カ国８０名参加•1998 年 9 月 東北大物理教室とＪＬＡＢとの間に MOU締結•1999 年 12 月　 Jlab sponsored workshop at Hampton Univ., VA

（議長：橋本、ＴＡＮＧ教授）•Strangeness nuclear physics with electromagnetic probes

•2000-2002 　学振日米共同研究（田村 -Tang教授）•2000 5 月　　 JLAB 所長 Herman Grunder氏から橋本への手紙

•ＪＬＡＢにおけるハイパー核プログラムを支援•1999 年　 旧原子核研究所電子シンクロトロンよりＴＡＧＸスペクトロメータを　　　　　　　 中性Ｋ中間子スペクトロメータとして東北大学理学部に移管、　　　　　　　 東北大学原子核理学研究施設に設置

申請する研究の意義

１．高分解能、高効率スペクトロメータの導入により、電磁相互作用による　　 Λ ハイパー核分光研究が初めて広く適応できるようになる。

２．その結果過去の Λ ハイパー核反応分光実験の分解能を大きく超えた質の　　高いスペクトルが得られ、ハイパー核構造およびハイペロン核子間相互作用に　　関する研究が画期的に進展する

３．特に、これまで研究することの出来なかった中性子数が多いハイパー核の生成が　　可能となる。従来の実験で測定されている荷電対称な Λ ハイパー核との比較により　　新しいハイパー核状態のあらたな研究の展開がはかられる。

４．スピン反転振幅が大きくスピン反転非反転状態を同時に励起する電磁相互作用の　　特長を生かしスピンに依存する相互作用を究明できる。

５．中性子をターゲットとする中性Ｋ中間子測定実験により、　　電磁相互作用によるハイペロン生成過程研究の鍵となるデータがえられる。

６．我が国のストレンジネス核物理におけるこれまでの主導的役割をさらに発展させる　　とともに、２１世紀のＪＨＦ、統合計画へ向けて国際共同研究が進展する。

q~100MeV/c l=0 substitutional statesS=0 J=0+

q~300MeV/c l=1,2 stretched statesS=0 J=1-,2+

q~300MeV/c l=1,2 stretched statesS=0,1 J=2-,3+

12

60

Rel

ativ

e St

reng

th

1-

1-

1-+2-

1-

2- 3+

3++2+

2+

12C(e,e’K+)12B

12C(+,K+)12C

12C(-,-)12C

2+

0+

2+

Ex(MeV)

FWHM 2MeV

FWHM 2MeV

FWHM 0.6MeV

0 6

12

1260

電子線による Λ ハイパー核分光の有効性

実施年次計画

既存スペクトロメータによる１ＭｅＶ以下の分光実験　　ｐ殻 Λ ハイパー核、中重 Λ ハイパー核分光　　　　　　　　 600keV 分解能　　重い Λ ハイパー核の核分裂予備実験

平成１２年度　　　　　　　　平成１３年度　　　　　　　　平成１４年度　　　　　　　　平成１５年度

解析、発表

28Si,51V(e,e’K+) 実験　　　３００ｋｅＶ

架台製作

磁石部品組立

新スペクトロメータ組立

実験は米国ジェファーソン研究所で行われる。検出器調整、磁石部品製作は国内で行われる。

スペクトロメータ設計Ｑ、Ｄ磁石鉄心製作

（加藤、藤井）

電子

線に

よる

実験

（ジェ

ファ

ーソ

ン研

究所

）

光子

によ

る実

験（

東北

大核

理研

）

Ｄ（ γ 、Ｋ０） Λｎ予備実験データ収集、解析

Ｄ（ γ 、Ｋ０） Λｐ本実験データ収集、解析

ハイパー核弱崩壊核分裂実験磁気能率測定Ｒ＆Ｄ実験

中性Ｋ中間子検出器整備固体重水素ターゲット設計製作（高橋、他）

新スペクトロメータ調整実験　 12C(e,e’K+) ， 7Li(e,e’K+) 実験、 ３００ｋｅＶ目標

（田村）ＴＯＦ検出器ＳＳＤ検出器テストベンチ

ドリフトチェンバー

ＳＳＤ読出（橋本）

Ｑ，Ｄ磁石コイル製作

実施年次計画２

既存スペクトロメータによる１ＭｅＶ以下の分光実験　　ｐ殻 Λ ハイパー核、中重 Λ ハイパー核分光　　　　　　　　 600keV 分解能　　重い Λ ハイパー核の核分裂予備実験

平成１２年度　　　　　平成１３年度　　　　　　平成１４年度　　　　　平成１５年度　　　　平成１６年度

解析、発表

28Si,51V(e,e’K+) 実験　　　３００ｋｅＶ

架台製作磁石部品組立

新スペクトロメータ組立

実験は米国ジェファーソン研究所で行われる。検出器調整、磁石部品製作は国内で行われる。

スペクトロメータ設計Ｑ、Ｄ磁石鉄心製作

（加藤、藤井）

電子

線に

よる

実験

（ジェ

ファ

ーソ

ン研

究所

）

光子

によ

る実

験（

東北

大核

理研

）

Ｄ（ γ 、Ｋ０） Λｎ予備実験データ収集、解析

Ｄ（ γ 、Ｋ０） Λｐ本実験データ収集、解析

ハイパー核弱崩壊核分裂実験磁気能率測定Ｒ＆Ｄ実験

中性Ｋ中間子検出器整備固体重水素ターゲット設計製作（高橋、他）

新スペクトロメータ調整実験　 12C(e,e’K+) ， 7Li(e,e’K+) 実験、 ３００ｋｅＶ目標

（田村）ＴＯＦ検出器ＳＳＤ検出器テストベンチ

ドリフトチェンバー

ＳＳＤ読出（橋本）

Ｑ，Ｄ磁石コイル製作

反応スペクトロスコピー ガンマ線スペクトロスコピー

分解能　 1.5 ~ 2 MeV FWHM

電子線によって sub-MeV さらに０．５ＭｅＶ以下へ

ＫＥＫーＰＳのＳＫＳ実験でラムダハイパー核分光を確立

Ｇｅ検出器　　２ー３ｋｅＶ核子束縛状態に対して有効

精密ラムダハイパー核分光

直接ハイパー核状態を励起高い励起状態にも有効