COMPASS実験の紹介

山形大学　堂下典弘

1996年　 COMPASS実験グループを立ち上げ1997年　実験承認2002年　実験開始2014年　 Phase II へ

〜回転の起源は？〜

現在１３カ国２２０名が参加日本グループ　：山形大学、 KEK、宮崎大学、

中部大学から１１名参加

自然界における回転 宇宙の星雲地球の回転（自転＋公転）

回転が安定保持に作用

微小な回転を突き詰める

陽子、中性子、電子の自転

電子：内部構造を持たない陽子、中性子：クォークと　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　グルーオンで構成

核子の自転（スピン）の源をクォークやグルーオンのスピンや公転（軌道回転）で説明できるか？

COMPASS実験の研究課題：

出典：キャノン

陽子や中性子の内部はどうなっているのか？

伝統的なクォークモデル

量子色力学（強い相互作用を記述）

核子のスピン： 1/2クォークスピン： 1/2

陽子の場合2 つの u クォークと1 つの d クォークからなる複合粒子

複数のクォークがグルーオンによって結合した複合粒子

核子スピンは、３つのクォークスピンの合成バレンスクォーク

: 　バレンスクォークと　　　　シークォークスピン

: 　グルーオンスピン

:　軌道角運動量

核子スピンの研究歴史と COMPASS実験

１９８０年代　 CERN EMC実験　「核子スピンに対するクォークスピンの寄与がない」

「スピンクライシス」１９９０年代　 CERN SMC実験、ドイツ HERMES実験２０００年代　 COMPASS実験

「クォークスピン寄与は約２５％」

２０００年代　 COMPASS実験　　　　　　　　　　　　　　　　　　世界最高精度の　　　　　　　　　　　　　　　グルーオン偏極度測定

アメリカ RHIC実験の結果と合わせて

「グルーオンスピン寄与は 30％程度」

クォークスピン寄与

グルーオンスピン寄与

クォークやグルーオンの軌道回転か？

核子スピン

クォーク軌道回転寄与に注目：現在実験準備中量子色力学による核子構造の記述ができるか？

なぜ CERNでスピン起源探索か？

• 特殊なビーム：偏極ミュー粒子ビームやパイ粒子ビーム• 特殊な標的：偏極核子標的

日本グループ偏極核子標的システムに責任をもつ

世界最大の偏極標的システム- 直径４ cm、長さ１３０ cmの標的物質- ２．５ Tの磁場- ５０mK（ -273.10度）まで冷却

この容量ではColdest point in the world

偏極　：　スピンの向きを揃えた状態

偏極ビーム＋偏極標的で核子内のスピンの情報にアクセスできる

6

COMPASS実験施設の位置

CNGS

COMPASS 実験装置

全長５０m

ビーム 偏極標的 分析用電磁石

ハドロン検出部

ミュー粒子検出部

RICH

世界最高エネルギーのレプトンビーム（１９０ GeV）

〜固定標的実験〜

実験ホールは地上に設置

マイクロ波キャビティ

超伝導磁石

希釈冷凍機

ノーベル賞とスピン ( と CERN)

• １９４０年　 I. Rabi 原子核の磁気能率測定方法

CERNのコンセプトを考え、立ち上げに貢献

• １９５２年　 F. Bloch、 E. Purcell 核磁気の精密な測定　核磁気共鳴 -> MRI　 F. Blochは CERNの初代所長

• １９５５年　 P. Kusch 電子の磁気能率の精密測定

まとめ

• スピンの起源探索• 2002年より実験開始• グルーオンの核子スピンへの寄与は大きくない• 今後クォークの軌道回転に注目して研究を進めて行く

また、 COMPASSではパイ粒子ビームや陽子ビームと原子核標的や液体水素標的を用いて

• パイ粒子の内部構造測定• 普通でないエキゾチックな生成粒子測定

補足

なども行っている。

スピンの利用

体内水分子の水素原子核（陽子）スピンを利用

医療機器のMRI (核磁気共鳴画像法）装置

出典：ウィキペディア

リニア新幹線

電子スピンから生ずる超伝導磁石による磁気浮上車

光子グルーオン融合と Semi-Inclusive 深非弾性散乱測定オープンチャーム

• クリーンチャンネル( 低物理バックグラウンド )

• 低統計量• K 、 π 粒子による D メソン同定 by

RICHHigh pT ハドロンペア• 高統計量• 物理バックグラウンド

p

（ q= c)

PB: ビーム偏極度PT: 標的偏極度f : ダイユーションファクター N : イベンド数

二重スピン非対称度測定

（ q= u, d, s)

の抽出

COMPASS 偏極標的システム (upgraded in 2006)

• 50mK • 300mKで 350mWの冷却能力

希釈冷凍機

180mrad

磁石• 高均一度 2.5T ソレノイド , 0.6T ダイ

ポール• 180mrad アクセプタンス標的セル• 3 セル (30, 60 30cm

long) • 直径 4cm

• 2 EIO 発振器 (20W)マイクロ波システム

beam

NMR システム• 10 チャンネル (3, 4, 3)

GPDプログラムの目的

GPD（一般化されたパートン分布）関数

核子の３次元像：

4 種類：

Jiの和則：クォークのスピンと軌道角運動量の和