S=2 の系における X 線・線分光実験計画

XiX Collaboration (J-PARC E03)

実験代表者：谷田 聖（京都大学）2007 年 3 月 2 日

「ストレンジネスとエキゾティクス」研究会 @ 鳥羽

J-PARC E03 collaboration• Kyoto University

– S. Dairaku, H. Fujimura, S. Hiraiwa, K. Imai, S. Kamigaito, K. Miwa, A. Okamura, A. Sato, K. Senzaka, K. Tanida (spokesperson), C. J. Yoon

• Brookhaven National Laboratory– R. E. Chrien

• China Institute of Atomic Energy– Y. Y. Fu, C. P. Li, X. M. Li, J. Zhou, S. H. Zhou, L. H. Zhu

• Gifu University– K. Nakazawa, T. Watanabe

• KEK– H. Noumi, Y. Sato, M. Sekimoto, H. Takahashi, T. Takahashi,

A. Toyoda• JINR(Russia)

– E. Evtoukhovitch, V. Kalinnikov, W. Kallies, N. Karavchuk, A. Moissenko, D. Mzhavia, V. Samoilov, Z. Tsamalaidze, O. Zaimidoroga

• Tohoku University– O. Hashimoto, K. Hosomi, T. Koike, Y. Ma, M. Mimori, K. Shirotori,

H. Tamura, M. Ukai

実験の概略• -atom の X 線を測る世界初の実験

– -A の Optical Potential の直接測定• Fe(K-,K+) 反応による - 生成 → 静止 - → X 線測

定

• 方法の確立を目指す– 数多くの X 線測定で、 A 相互作用の解明へ– ダブル核の線分光にもつなげていきたい

K- K+

X ray

Fe target

目指す物理• S=-2 での strangeness

nuclear physics– 初めて hyperon-hyperon

相互作用が現れる• ここがわからないと multi

strangeness 系に行けない。– 非常に dynamic な

システムなのでは？• Large baryon mixing?

質量差に反比例• N- ががががががが

ががががががががががが

• ほとんどわかっていない。 J-PARC での中心課題

ががががが• N （有効）相互作用

– 例： N はどれだけ強いか？• H dibaryon の存在と関連• -hypernuclei において、どれだけ N は混ざるか？

– One meson exchange 模型では交換相互作用が禁止• 質量依存性はどうか？• 中性子星への影響

– は負の電荷を持つので、中性子星では早く現れるかも

• A 相互作用、特にその質量依存性が大事

– ががががががががががががががががががががががががががががががががががががが

実験の原理• 原子 – 波動関数を精確に計算可能• 1 次摂動

– Optical Potential の形を仮定すれば、 1 つの測定でその強さは決定可能。

– 数多くのデータがあれば、形も決定できる。

– 1 次摂動が良い近似でない場合でもこれは成り立つ

• 直接測定できる（ただし主に周辺部にのみ敏感） 原子核の Spectroscopy

• , K,p, がががががががががががががが

drrUrE )(|)(| 2

l (orbital angular momentum)

Ene

rgy

(arb

itrar

y sc

ale)

...

...

...

...

l=n-1 (circular state)l=n-2l=n-3

nuclear absorption

Z

Z

X ray energy shift – real partWidth, yield – imaginary part

ターゲットの選択• Physics view: Batty et al. PRC59(1999)295

– ある X 線に対して、最適なターゲットが存在する• 始状態での吸収は十分弱い• X 線のエネルギーシフトと幅が最大 (~1 keV)

– n=3,4,7,9 のそれぞれに対して、 9F, 17Cl, 53I, 82Pb を提案

• 最適なターゲット： Optical Potential によって決まる

最初の実験の前にはわからない

n:43 54 65 76 87 98 109

F(Z=9) Cl(17) ? ? I(53) ? Pb(82)

131 (keV) 223 ? ? 475 ? 558

n:43 54 65 76 87 98 109

F(Z=9) Cl(17) Co(27)? Y(39)? I(53) Ho(67)? Pb(82)

131 (keV) 223 314? 394? 475 518? 558

• 実験的な理由で決める 鉄を選択– 生成率 : A-0.62 （断面積が A0.38 でスケール）– の静止確率 : 高密度（ ~10 g/cm3 ）のターゲットが必

要 ( range: 10-20 g/cm2, c ~ 2cm)

– ターゲットによる X 線の吸収 : significant at large Z

小さな Z （ A) 、でも高密度が必要• 小池さんによる計算： 鉄の n=6 5 遷移

– Woods-Saxon potential: 24 3i MeV– Energy shift: 4.4 keV, width: 3.9 keV– 静止 あたりの収量： 0.1 ( 核による吸収がなければ ~

0.4)

最初の実験では・・・

実験のセットアップ

K1.8 beamline of J-PARC

(K-,K+) 反応の測定

K

K

• KEK-PS K2 ビームラインで使われてきたもの• Large acceptance (~0.2 sr)

1.8 GeV/c1.4x106/spill (4s)

X 線測定： Hyperball-J• ゲルマニウム検出器 ~40 台• PWO anti-Compton• ピーク効率

– 16% at 284 keV

• 高レート耐性– < 50% deadtime

• キャリブレーション– In-beam, frequent– 精度 ~ 0.05 keV

• エネルギー分解能– ~2 keV (FWHM)

収量と実験精度の見積もり• ビーム量 : 1.0x1012 （ 800 時間）• がががが

– 生成量 : 　 3.7×106

– 静止 : 7.5×105

• X 線の収量：　 2500 for n=65 transition– 7200 for n=76

• 実験精度– エネルギーシフト : ~0.05 keV (systematic dominant)

予想されるシフトに対して十分 (~1 keV)　　　　 < 5% の精度になる– 幅 : ~ 1 keV くらいまでは直接測れる

X 線の収量から、さらに情報が得られる。

予想 X 線スペクトル（ 1 ）

n= 65

shift & width0 keV

予想 X 線スペクトル（ 2 ）

n= 65

shift & width4 keV

ダブル核の線測定（ ? ）• stop あたり 1% ぐらいの強度の線まで観測可能

　ダブル核の線が見えないか？• ダブル核はどれくらいできるのか？

– トータルでは～ 10 ％程度– 12C ターゲットの場合の平田氏らの計算では、 11

Be, 10

Be がそれぞれ 3% ずつ

鉄でも多い核は 3 ％かそれ以上できると期待

• は高い励起状態にできる。– が角運動量（ ~5 ）を持ち込むことにも注意。 線放出は高確率で起こりそう

56Fe ＋ -0(MeV)

0.656Fe-- atom (n=6)

55Mn＋ p+-

10.2

55Mn ＋18

57Mn(g.s.)

60

28 MeV

B~21 MeV×２

1-2 個核子を放出すれば、は十分核内にトラッ

プされる（ ~10 ％？）

Nuclear Auger/ 蒸発による核子放出

(2~ ３個 )ががが線

どのハイパー核？• 57

Mn から典型的には 4 つぐらい核子が抜けそう。→ 53

Mn 、 53Cr あたりか。

• 一番多くできるのは、 single ハイパー核– これが最も困難な B.G.

– 一番できそうなのは、 54,５５ Mn あたり。

– 実際には何が見えたかわからない？

• 通常核は Reference があるので識別可能。

希望はあるのか？• 希望１： できる核は限られている。

– Q 値から言って、できる核は数種類程度で、ある程度予測可能

– 12C ターゲットでの計算では 10,11Be に強い集中が見られる。

　→　どなたか計算できませんか？

• 希望２： うまく行くパターンがありうる。– Double 核の基底状態付近では、は 2 つとも 0s 軌道にい

て、その自由度は死んでいる。– 従って、強度の強い 線はコアの脱励起によるもの。

うまく行く（かも知れない）パターン

• 期待： 1,2 のエネルギーは、コア核の場合と　　　　ほぼ同じはず– 2 つのが coincidence することを示し、– その両方とエネルギーが近い線を出すコア核を探す

例：　 53Mn の場合

• 56Fe → 57Mn から 4 つ中性子が抜けたことを想定

– コア核は 51Mn– が角運動量（ L~5 ）を持ち込むため、スピンが比較的

大きい状態ができやすいはず。

第 2 励起状態（ Ex=1140 keV ）からは、 86% の割合で、第一励起状態への線が出る。

理論屋さんにお願いしたいこと• X 線測定

– X 線エネルギーの精密計算– 各バリオン間相互作用モデルはどれくらいのエネルギーシ

フト（幅）を予想しますか？特徴はどこに現れますか？最適なターゲットは何ですか？

• ダブル核：どのハイパー核がどれくらいできそうか、計算できませんか？

• 測定に成功したとして、その物理的意味は？– 「コアの脱励起で、線のエネルギーが余り変化しない」

場合にだけ測定ができるとして、それから何がわかりますか？

• 回転モーメントはどれだけ変わりそうですか？• 偶偶核の 0+-2+-4+ が回転的振動的に変化したり、なんてことが

ありませんか？– 相互作用が顔を出す、なんてことは？軽い核？

まとめと見通し• 原子からの X 線を測定する実験提案

– -A の Optical Potential– シリーズの最初の実験。世界初– 実験手法の確立を目指す

• 最初の実験としては、実験のやりやすさを主に考えて鉄をターゲットとして使用。

• X 線エネルギーの測定精度 ~ 0.05 keV– 予想されるエネルギーシフトに対して十分良い (~1 keV)– 幅 : ~ 1 keV までは直接測れる。収量からの間接情報

• Byproduct: ダブル核の線分光– 観測は多分可能– ID がネックだが、うまく行く可能性はある

将来の見通し（希望）• J-PARC の PAC において Stage2 Approval （ full appr

oval! ）を認められた。– 実験に本質的困難はない。

• 2008 年には準備ができている予定– 2010 年には最初の実験を行いたい。

• 最終のゴールは、各ｎから 2 つ程度のデータ– 鉄の結果を見て、次のターゲットを選定。– 全部では１０点くらいのデータが得られる。– 強さだけでなく、形の情報も得られる予定– 見積もり通りなら、 1-2週間で 1 つのターゲットの実験が可

能

• もしダブル核の線が見える（そして ID できる）なら、ダイアモンドターゲットを使った専用実験をやりたい

Backup slides

Summary of the experiment• Produce - by the (K-,K+) reaction, make it stop in

a Fe target, and measure X rays from - atom.

• Physics:– -nucleus interaction (optical potential)– Real part – shift of X-ray energy (up to ~10 keV)

Imaginary part – width, yield

• Sensitivity– X-ray enerygy shift: ~0.05 keV

Good for expected shift of O(1keV)– Width: directly measurable down to ~ 1keV

K- K+

X ray

Fe target

核 Spectroscopy の問題点• 主にコア励起の問題

– 2 つ以上の状態がある場合、それらを分離できなければ、位置・幅は正確に出せない。

– 特に幅を出す上で問題になる– そもそもピークが分離できない

場合さえあるKEK-PS E369

KEK-PS E522

Yield estimationY=NK x x t x K x K x R x RX x (1-X) x X x o

• Beam: NK (total number of K-) = 1.0×1012

• Target:– ：　 (differential) cross section = 180 b/sr

Taken from IIjima et al. [NPA 546 (1992) 588-606]– t: target thickness （ particles/cm2 ） = 2.6x1023

– R: stopping probability of in the target = 20%(according to a GEANT4 simulation)

– RX: branching ratio of X-ray emission = 10%(estimated by Koike)

– X: probability of self X-ray absorption in the target = 58%(GEANT4 simulation: mean free path for 284 keV X-ray is ~8 mm)

• K+ spectrometer– K: acceptance = 0.2 sr

– K: 　 detection efficiency = 0.51

(taken from the proposal of BNL-AGS E964 )

• X-ray detection– X: X-ray detection efficiency = 8 ％

[16% (GEANT4 simulation) x 0.5 (in-beam live time)]

• Others

– o: overall efficiency (DAQ, trigger, etc.) = 0.8

X-ray background• Estimation based on E419• E419: 8 x 10-5 counts/keV/(,K+), around 284 keV

– X-ray detection efficiency: x4– Other effect: 　 x2 (considering different reaction)

~2400 counts/keV• Continuous BG is OK• Line background might be a problem, though unlikely.

– there seem no strong lines in this energy from normal nuclei around A=50.

– Completely unknown for (single) hypernuclei– Even weak lines may deform the peak shape

Expected X-ray spectrum

4 5 6

(weakly) attractive at peripheral(strongly) repulsive at center

r(fm)

1 keV

1 keV

1 eV

1 eV