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鉄核媒質中の閾値近傍における 中性 π 中間子生成実験

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 π 0 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 π 0 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 π 0 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 π 0 ) 電荷 : 0 質量 : 135 MeV/ c 2 寿命 : 8.7×10 -17 秒. A. π 0. π 0.

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鉄核媒質中の閾値近傍における 中性 π 中間子生成実験

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Presentation Transcript

  1. 鉄核媒質中の閾値近傍における中性π中間子生成実験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

  2. 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

  3. A π0 π0 測定原理 γ e- • 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 γ 150MeV電子線を入射 π0が生成 π0が２γに崩壊

  4. 背景 標的(黒鉛) 電磁カロリーメーター • 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 1アーム 3×3配置 9本組み 電磁カロリーメーター 電子ビーム

  5. 本実験の改良点 標的（黒鉛） • 3×39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 標的（鉄） バックグラウンドの見積もり 約12倍の統計量

  6. 鉛ブロック 暗箱 実験方法 8mmコリメーター シンチ2,3 ビーム出射口 シンチ1 シンチ4 • 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 電子ビーム 800mm 鉄標的へ約1.3kHzの頻度で1.3×105秒間照射した

  7. 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 上 右 左 下 計６通り

  8. 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]

  9. 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)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) 上：右 右：下 右：左 下：左 左：上

  10. シンチ 2, 3 イベント選択 ビーム出射口 シンチ 1 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１ シンチ２ シンチ３ シンチ４ シンチ３ シンチ４

  11. 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、 ２γ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

  12. 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)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) 上：右 右：下 右：左 下：左 左：上

  13. π0 イベント数 1693イベント中 3イベント • 以上より となりπ0は検出されなかったと考えられる 5658イベント中 16イベント

  14. π0 生成断面積の上限値 • 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%）

  15. 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。

  16. 終わり

  17. π0 イベント数 1171イベント中 2イベント • 以上より より、π0生成断面積　0.034±0.025μb 2008イベント中 0イベント

  18. 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

  19. 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 PWO PWO 高細分化可能な 電磁カロリーメータ !! 20cm • 短い放射長と Moliere半径

  20. 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

  21. γ e- + A A π0 γ π0 150MeV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２γに崩壊 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

  22. ～8/5 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

  23. セットアップ構成を決める　～標的を決める～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

  24. 2cm x 標的 x ビーム セットアップ構成を決める　～標的を決める～ • 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 ※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

  25. 2cm x 2γが同時に標的を飛び出せる確率 標的 x ビーム x[cm] セットアップ構成を決める　～標的を決める～ • 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。

  26. 2cm x 標的 x ビーム 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、 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 を調べた。（下図） スコア 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Sn or Feと考えられる！

  27. 各条件に対しての予想されるπ0イベント数 電子線のフラックス：1.5×103 cm-2 sec-1 平下実験より 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 予想される一週間(28h)でのπ0検出数 [個] x[cm]

  28. 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 (2arms detector) 予想される一週間(28h)でのπ0検出数 (4arms detector) [個] [個] x[cm] x[cm]

  29. 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。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！

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