A search for deeply bound kaonic nuclear states by in-flight 3He(K-,n) reaction

J-PARC E15 実験

参加研究機関数 １５参加人数 ４７

はじめにK 中間子原子の 2p- １ s 状態へのＸ線測定（ＫｐＸ , KEK-E228,1997) の教えていることＫ中間子‐核子間に強い引力が働いているということ

この実験事実を踏まえ、 (1405) をＫＮの強い束縛状態と仮定する

K 中間子原子核の存在を予言（赤石ー山崎 , 2002 ）

K 中間子原子核は本当に存在するのか？

２番目に単純な構造を持つK 中間子原子核、 K-pp に注目その存否に関し決着をつける

J-PARC E15 実験

実験手法

K- 3He K-ppcluster

neutron

中性子測定における

質量欠損による K-pp 状態同定

反応

p

p-

終状態荷電のみの崩壊モード 崩壊

この反応では生成された K-pp 束縛状態は質量欠損測定および不変質量再構成の両面から識別可能

　　 33He(K-,n) He(K-,n) 反応による　反応による　 KK--pp pp 状態の直接生成状態の直接生成

不変質量の再構成

本日の発表の概要

1-1 ）　ビームラインスペクトロメータ1-2 ）　 3He 標的

1-3 ）　前方スペクトロメータ1-4 ）　崩壊粒子検出器群

２）Ｅ１５実験　検出器についての概要説明および現在の進展状況

1-5 ）　信号読み出し回路３）実験建設予算に関する事項４）実験実施体制

１）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性

ビームラインスペクトロメータ

標的

崩壊粒子検出器群 前方スペクトロメータビーム　　スイーパー 中性子カウンター

K-

飛跡検出器等Q D Q

本日の発表の概要

ビームラインスペクトロメータ

標的

崩壊粒子検出器群 前方スペクトロメータビーム　スイーパー 中性子カウンター

K-

飛跡検出器等

1-1 ）　ビームラインスペクトロメータ1-2 ）　 3He 標的

1-3 ）　前方スペクトロメータ1-4 ）　崩壊粒子検出器群

２）Ｅ１５実験　検出器についての概要説明および現在の進展状況

1-5 ）　信号読み出し回路３）実験建設予算に関する事項４）実験実施体制

１）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性

Q D Q

Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性1) （ K- ,n ） 素過程反応断面積 ２ ) Ｋ中間子ビーム強度の運動量依存性

K ビーム強度　Ｘ　反応断面積反応断面積の観点から

1.0 GeV ビーム付近のビームを使う　すなわちＫ１．８ＢＲ　ビームラインでの実験実施

K ビーム強度　Ｘ　反応断面積からの観点

K1.8BR 最高ビーム運動量近辺での実験実施

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4[106]

Momentum [GeV/c]

Cou

nts

per s

pill

Yield at Final Focus Z = 27.573 m

Negative Kaon

Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性　（２）3He(K-,n) 反応において中性子が受ける運動量移行

K-pp 状態　束縛エネルギーが１００ MeVを仮定

入射　Ｋ中間子ビーム　 1.0 GeV/c

放出　中性子の運動量　　　 1.3 GeV/c

前方に放出される中性子運動量飛行時間差（ Time-Of-Flight ）で測定

飛行距離一定 運動量が低い（飛行時間が長い）方が分解能が良い質量欠損分解能　飛行距離１２ｍ　　 Mx (FWHM)= 28 MeV/c2 @ Kbeam=1.0 GeV/c　　 Mx (FWHM)= 38 MeV/c2 @ Kbeam=1.1 GeV/c

反応レート　と　質量欠損分解能の双方を考慮し、ビーム運動量 1.0GeV/c を選択

~300 MeV/c

本日の発表の概要

ビームラインスペクトロメータ

標的

崩壊粒子検出器群 前方スペクトロメータビーム　スイーパー 中性子カウンター

K-

飛跡検出器等

1-1 ）　ビームラインスペクトロメータ1-2 ）　 3He 標的

1-3 ）　前方スペクトロメータ1-4 ）　崩壊粒子検出器群

２）Ｅ１５実験　検出器についての概要説明および現在の進展状況

1-5 ）　信号読み出し回路３）実験建設予算に関する事項４）実験実施体制

１）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性

Q D Q

ビームラインスペクトロメータ1. SQDQ で構成されているビーム光学系 2. VI 点と最下流の最終フォーカス (FF) 点 で point to point になるようにデザイン

ビームラインに設置する検出器群１．ビームライン飛跡検出器２．ビームホドスコープ（ＴＯＦカウンター）３．粒子識別　Ａｅｒｏｇｅｌ　カウンター

ビームラインスペクトロメータ : 上流BLC1

有効面積 16cm X 16 cmワイヤー構成 X-X’ -Y-Y’ ４セット（計 16 plan

es ）アノードワイヤー数 32 wires / plane 　（計 512 wire

s ）セルサイズ 5 mm cell ( 2.5mm drift lengh)

BLC1ＫＥＫ－ＰＳ　Ｅ４７１で製作、使用した Beam Line Chamber (BLC)

VI 点でのビームプロファイル

BH1 ( ビームホドスコープ）シンチレーター　 2cm X 6cm X 0.5 cm 最大 single rate ~400 kHz

新規製作、 BLC1 の上流に設置-15 -10 -5 0 5 10 150

20000

40000

60000

80000

100000

X position (cm)

KaonPionTotal

Cou

nts

per s

pill

Profile at BLC1(VI) Z = 22.285 m

-15 -10 -5 0 5 10 150

60000

120000

180000

240000

300000

Y position (cm)

KaonPionTotal

Cou

nts

per s

pill

Profile at BLC1(VI) Z = 22.285 m

１０セグメント、有効面積　 20 x 6 cm2

ビームラインスペクトロメータ : 下流 BLC2

有効面積 25cm X 25 cmワイヤー構成 X-X’ -Y-Y’ ４セット（計 16 plan

es ）アノードワイヤー数 32 wires / plane 　（計 512 wire

s ）セルサイズ 8 mm cell ( 4.0mm drift lengh)

BLC2ＫＥＫ－ＰＳ　Ｅ 549 で製作、使用した Proton Drift Chamber (PLC)

飛跡検出器を設置するFF － 80 cm 点でのビームプロファイル

BH2 ( ビームホドスコープ）シンチレーターサイズ　 1.5cm X 6cm X 0.5 cm 最大 single rate 450 kHz

新規製作、 BLC2 の下流に設置-10 -5 0 5 10

30000

60000

90000

120000

150000

180000

X position (cm)

KaonPionTotal

Cou

nts

per s

pill

Profile at BLC2 Z = 26.773 m (FF-0.8)

-10 -5 0 5 10

100000

200000

300000

400000

500000

Y position (cm)

KaonPionTotal

Cou

nts

per s

pill

Profile at BLC2 Z = 26.773 m (FF-0.8)

5 セグメント、有効面積　 7.5 x 6 cm2

ヘリウム３標的容器

ヘリウム３熱交換器

1Kタンク (1.25 K)

4 Kポット (4 K)

液体窒素タンク

試作 3He 標的容器　

ヘリウム標的開発現状

平成１８年中 4He ガスを用いたテスト　　 到達温度、熱流入、ガス内部循環の調査平成１９年度夏 3He を使わないテストの終了平成１９年度末 標的実機の完成

前方スペクトロメータ中性子カウンター　：　 ０度方向（ビーム軸）に放出される中性子の運動量を測定（飛行時間差測定）検出器としては KEK-PS E549 中性子カウンターを移設

２０Ｘ５Ｘ１５０ｃｍ３　（幅Ｘ厚Ｘ長さ）のプラスチックシンチレーター　１１２本構成 １６枚　Ｘ　７層構造有効面積 3.2m X 1.5m 　光電子増倍管、ケーブル、読み出し回路まで一式込みで移設し使用する。

3.2 m

1.5 m

E549 中性子カウンター

中性子カウンター設置位置現在のビームラインデザインで実現可能最大飛行距離

ＦＦ点から１２ｍ中性子カウンターで測定する質量欠損分解能の飛行距離依存性

ビームスイーパー（二重極電磁石）ビーム粒子を０度方向に設置する中性子カウンターアクセプタンスから蹴り出すための電磁石崩壊粒子検出器すぐ下流に設置電磁石への印加磁場と中性子カウンター表面でのビームプロファイルを確認ビーム粒子の直接ヒットを抑えるためには0.7 Tm 以上の磁場強度が必要

KURAMA(0.8 Tm) , @KEK-PS K2 beam line牛若 (1.05Tm) , @KEK-PS p2 beam line 　静 (0.86Tm) , @KEK-PS T3 beam line

のいずれかを使用したい （間口の大きさからＫＵＲＡＭＡが第一候補）

崩壊粒子検出器群Cylindrical Detector System (CDS)

ソレノイド電磁石Cylindrical Drift Chamber (CDC)

Cylindrical Detector Hodoscope (CDH)

CDH

CDC

Solenoid Magnet

K-

ソレノイド電磁石

ソレノイド電磁石基本パラメータ

口径 Φ １２００ｍｍ磁極長 １２００ｍｍ磁場強度 ０．７Ｔ　（Ｍａｘ）電流 １０００Ａ電圧 ３５０Ｖ直流抵抗 ０．３ Ω電力 ３５０ｋＷ水路 ３４水路重量 ２０トン

口径　 1.2m, 　最高磁場 0.7 Ｔ平成１９年３月納品

内部磁場マップ

CDC

ＣＤＣ内径　１５０ｍｍＣＤＣ外径　４８０ｍｍＣＤＣ構造

セルの形状 六角形、ドリフト長　１ｃｍ

50ns等ドリフト時間等高線 読み出し回路　　 Amp-Discri 新規製作　　　ＤＡＱ　　　　　ＴＫＯ　Ｄｒ．ＴＩＩ　（既存）

ＣＤＣ内部　ワイヤー構成Axial Super layer ( axial wire 3 層）Stereo Super layer （ stereo wire 2 層　Ｕ）Stereo Super layer （ stereo wire 2 層　Ｖ）

A U V A U V Aの計１７層構成

CDH

CDC

CDH

CDC を囲むように設置するシンチレータカウンタシンチレータ : BICRON BC408光電子増倍管 ： Hamamatsu H8409 ( ファインメッシュ型 )セグメント数：５０

役割：１）　崩壊粒子トリガー２）　ＴｏＦ　と　エネルギー損失を　　用いた粒子識別信号の読み出しＴＫＯ　システム (既存 ) Charge ADC と　ＴＤＣ

典型的なイベントK-pp 束縛エネルギー　１００ＭｅＶを仮定GEANT4 を用いた検出器シミュレーション

neutron

Proton

Proton

Proton

Proton

Λ

Λ 　 momentum (MeV/c) momentum (MeV/c)

K-pp state

σ（

MeV

）

σ（

MeV

）

• 終状態の荷電粒子が同一な K-pp 状態の崩壊モード– K-pp Λp pπ-p ➾ ➾– K-pp ➾ 0p ➾ Λp ➾ pπ-p

• 崩壊幅　 K-pp= 60 MeV 　を仮定　

Invariant mass of Λp (MeV)

∑ channel Λ channel

ＧＥＡＮＴ４を用いた検出器シミュレーションの結果

トリガー条件１）　Ｋ中間子ビームがターゲットに到達したことを保障するために

“ビームホドスコープのヒット”“ Ａｅｒｏｇｅｌ　Ｖｅｔ o 信号”“Kaon decay Veto にヒットがない”　

　　　　　　“ Beam Veto （標的後方のカウンター）”　

　　の４条件を用い保障

２）　標的において反応が起こったことを保障するために“ ＣＤＨ”のヒット多重度をトリガーに加える。（最低２枚のカウンターにヒットが存在）

以上を要求し、データを収集する。予想されるバックグラウンドからのトリガーレート　１００－１３０Ｈｚ

信号読み出し回路

ビームラインスペクトロメータ 飛跡検出器 COPPER 1024 chホドスコープ TKO 30 chＰＩＤカウンター TKO 2 ch

CDC TKO 1842 chCDH TKO 200 ch (ADC, TDC) 中性子カウンター TKO 224 ch (ADC, TDC)

中性子カウンター、ＣＤＣ、ＣＤＨ、ビームラインホドスコープＫＥＫ－ＰＳ　Ｅ５４９で使用したＴＫＯシステムを使った読み出し回路一式を移設ビームライン飛跡検出器用ＫＥＫ　オンライングループ開発の新システムＣＯＰＰＥＲを使用（新規製作）

ＤＡＱ

飛跡検出器用フロントエンド回路CDC 用、ビームラインカウンター用どちらも新規製作ＫＥＫ 谷口氏　デザインの　“ Amplifier Shaper Discriminator” 　をベースに製作

本日の発表の概要

ビームラインスペクトロメータ

標的

崩壊粒子検出器群 前方スペクトロメータビーム　スイーパー 中性子カウンター

K-

飛跡検出器等

1-1 ）　ビームラインスペクトロメータ1-2 ）　 3He 標的

1-3 ）　前方スペクトロメータ1-4 ）　崩壊粒子検出器群

２）Ｅ１５実験　検出器についての概要説明および現在の進展状況

1-5 ）　信号読み出し回路３）実験建設予算に関する事項４）実験実施体制

１）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性

Q D Q

実験建設予算 品目 細目 個数 ( )概算金額 千円ＣＤＳ本体

ＣＤＳソレノイド電磁石 1 40,000 ＣＤＣ 1 30,000

CDHシンチレーター 50 4,000光電子増倍管 100 22,000

光電子増倍管用ＨＶ電源 10,000K-decay veto

+ WLSシンチレーター 300マルチアノードＰＭＴ 1 260

CDC読み出し回路Amp-Shaper-Discri (ASD) chip 150 750ASD board 70 2,100ケーブル 5,000

(ビームライン検出器 ワイヤーチェンバー）Amp-Shaper-Discri (ASD) chip 100 1,500ASD board 40 1,200

daughter card(COPPER)ＴＤＣ 40 2,400定電圧電源 2,000ケーブル 3,000

ビームライン検出器Beam Hodoscope シンチレータ 30 300

３Ｈｅ標的３Ｈｅガス 30,000標的Ｒ＆Ｄおよび実機製作 10,000

, ＤＡＱ ＴｒｉｇｇｅｒＣＯＰＰＥＲ用クレート 2 840ＣＯＰＰＥＲメインボード 9 2,700ＣＯＰＰＥＲプロセッサー 9 1,350Trigger モジュール 2,000Discriminator 等 回路計 4,000

計算機 ディスクサーバー 4,000実験装置架台等

CDC 架台、サポートフレーム 10,000検出器移設関係 5,000

合計 194,700

実験予算総額195,000千円（特定領域研究、計画研究）

執行済みＣＤＨ用　光電子増倍管 11,000千円ソレノイド電磁石 42,000千円平成１９年度•　ＣＤＣの建設•　ＣＤＣ－ビームライン飛跡検出器　　フロントエンドボード製作•　ＣＤＨ用　光電子増倍管追加•　ＣＯＰＰＥＲ　システム（一部）平成２０年度

•　 3He ガス•　ＣＤＨ製作•　ＣＯＰＰＥＲ　システム（残数）• 検出器移設

本日の発表の概要

ビームラインスペクトロメータ

標的

崩壊粒子検出器群 前方スペクトロメータビーム　スイーパー 中性子カウンター

K-

飛跡検出器等

1-1 ）　ビームラインスペクトロメータ1-2 ）　 3He 標的

1-3 ）　前方スペクトロメータ1-4 ）　崩壊粒子検出器群

２）Ｅ１５実験　検出器についての概要説明および現在の進展状況

1-5 ）　信号読み出し回路３）実験建設予算に関する事項４）実験実施体制

１）Ｅ１５実験で使用するビームの妥当性

Q D Q

測定器建設に関する参加機関別の責任分担

CDS 建設CDC 設計－建設 理研－ＫＥＫ－阪大

　　　　　　　　－大阪電通大CDH 設計－建設 理研－ＫＥＫソレノイド電磁石 理研

ビームラインスペクトロメータ用検出器および　　中性子カウンター 理研

3He 標的 理研－ＫＥＫDAQ 理研

実験実施体制実験責任者： 岩崎 雅彦（理研）、永江 知文（ＫＥＫ） 　測定器建設： 味村 周平（大阪大）、飯尾 雅実（理研）、石元　茂（ＫＥＫ）、板橋 健太（理研）、 應田 治彦（理研）、大西 宏明（理研）、岡田 信二（理研）、阪口 篤志（大阪大）、 佐久間 史典（理研）、佐藤 将春（理研）、鈴木 隆敏（理研）、関本 美知子（ＫＥＫ）、 友野 大　（理研）、福田 共和（大阪電通大）、藤岡 宏之（東大）、溝井 浩（大阪電通大）、

H.C.Bhang(Seoul Univ.), S. Choi(Seoul Univ), C. Curceau(LNF-INFN), C. Guaraldo(LNF-INFN), M. Iliescu(LNF-INFN), P. Kienle (SMI, Austria), D. Sirghi(LNF-IFNF), F.Sirghi(LNF-INFN), D. Pietreanu(LNF-INFN)

X [cm]

X [cm]

Y [c

m]

Y [c

m]

Garfield を用い計算した　　　　等ポテンシャル面　　　　　　　　　　　　　　　　　　

Garfield を用いたフィールド計算

ＣＤＨＣＤＣの周りを囲むシンチレーターカウンターセグメント　６０　を両読みＰＭＴ　ファインメッシュ型　　５０本すでに購入読み出し回路　ＴＫＯ（？）　

What we want to do ?• Back to the original question

– Structure inside (1405)• multiquarks state?• Double pole resonance ? • bound state of K-p ?

Existence of K-pp bund stateWill open new door to

the physics of K-cluster

– If we assume (1405) to be a K-p bound state• Second simplest bound state, K-pp, will also exist

( natural extension)

3He(K-,n)K-pp → p → 　 p - p

中性子カウンターにヒットを作るイベント　におけるp および　 からの　 p - の運動量分布

Momentum of Proton from Momentum of pion from

Momentum of Proton

Assumptions入射Ｋ　運動量分解能 p/p = 0.02 ％中性子カウンター時間分解能 ２００ｐｓＣＤＣ　位置分解能 ｘ－ｙ方向 ２５０ m

z 方向 ２ｍｍK-pp の崩壊比、 w/Lambda 対 w/Sigma を１：１で生成

K- 3He

Initial state での不変質量　 Ｍ 12

final state での不変質量　 Ｍ 34

K-pp n

Mass difference

|M| < 52 MeV

M で選んだ K-pp にかんする残っているであろう　 の寄与のチェック

ビームラインスペクトロメータ1. SQDQ で構成されているビーム光学系 2. VI 点と最下流の最終フォーカス (FF) 点 で point to point になるようにデザイン

実験で使用するＫ中間子ビーム運動量　1.0 GeV/c 、実際に飛跡検出器を置く位置ＶＩ点および　ＦＦ点の６０ｃｍ上流 でのビームの拡がり

ビームラインに設置する検出器群１．ビームライン飛跡検出器２．ビームホドスコープ（ＴＯＦカウンター）３．粒子識別　Ａｅｒｏｇｅｌ　カウンター

-15 -10 -5 0 5 10 150

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

100000

X position (cm)

KaonPionTotal

Cou

nts

per

spill

Profile at VI point (Z = 22.285 m)

-15 -10 -5 0 5 10 150

40000

80000

120000

160000

200000

240000

280000

320000

Y position (cm)

KaonPionTotal

Cou

nts

per

spill

Profile at VI point (Z = 22.285 m)

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

40000

80000

120000

160000

200000

240000

280000

X position (cm)

KaonPionTotal

Cou

nts

per

spill

Profile at Final Focus (Z = 25.573 m)

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

40000

80000

120000

160000

200000

240000

280000

320000

360000

400000

Y position (cm)

KaonPionTotal

Cou

nts

per

spill

Profile at Final Focus (Z = 25.573 m)