陽子陽子弾性散乱におけるシングルおよびダブルスピン非対称度の測定

陽子陽子弾性散乱陽子陽子弾性散乱におけるシングルにおけるシングルおよびダブルスピおよびダブルスピン非対称度の測定ン非対称度の測定

1

KEK 素核研　　　　　飯沼　裕美1. Alekseev et al., Phys. Rev. D 79:094014,

2009.2. H. Okada (Iinuma) et al., Phys. Lett. B 638,

450-454, 2006.京都大学理学部　　　原子核ハドロン研

究室&

理研仁科センター　　　延與放射線研究

室

Dr. Bunce

2004 年 3 月2010/3/21 Hiromi Iinuma

本研究の二つの目的本研究の二つの目的

%5PP beambeam 2

1 ．陽子ビームの絶対偏極度測定

NN

NN

P

1A G 2

beam

LL

RHIC スピンプログラムの目玉の一例： Gluon 偏極度測定

PHENIX や STAR が測定

偏極度計が測定

しかし、従来の偏極度計は高速計測可能だが、測定中心値がオフセットを含み、絶対値補正が必要！

目標：

理研　深尾祥紀氏　理研　深尾祥紀氏　22pBC-2 22pBC-2 核談新人賞講演核談新人賞講演

2010/3/21 Hiromi Iinuma

3

1 ．陽子ビームの絶対偏極度測定

2 ．測定原理となる偏極度能 AN の詳細理解• 運動量移行 (-t) が非常に小さく、 Coulomb 力と核力が干渉

する (CNI) 領域で AN の QED 成分は極大になる。• しかし、核力のスピン依存性の精度の良い理論的知見がな

く、• 実験からも、技術の制限から良い知見がなかった。　E704, FNAL s=19.7 GeV

Phys. Rev. D 48, 3026 (1993)

QEDNA

hadN

QEDNN AAA

1946 年　Schwinger

核力のスピン依存性 ?

本研究の二つの目的本研究の二つの目的

t ~ 0.003 (GeV/c)22010/3/21 Hiromi Iinuma

pp 弾性散乱は、反応前後のスピン状態、時間と空間の対称性および同一粒子であることを考慮すると、５通りのヘリシティー振幅で記述できる。

|M|t,s

|M|t,s

|M|t,s

|M||M|2

1t,s

5

4

2

had2

*2had52NN Re 2

s

4

dt

dA

電磁気力＋核力

-t 0 でゼロになる

微分断面積2

2||

s

4

dt

d

Im

m4ss

82p

tot

全断面積 (-t =0)

実験結果豊富・ Regge理論でよく説明される。

em*had5

had*em52N Im

s

4

dt

dA

QEDNA had

NAPomeron?

0 ?Odderon?

モデルいろいろ。

ノンフリップ

ダブルフリップシングルフリップ

2010/3/21 4Hiromi Iinuma

5

1. RHIC 偏極陽子加速器の紹介2. 実験について

• セットアップ• 解析 (2004 年データ )

3. 結果• シングルスピン非対称度 AN

• ダブルスピン非対称度 ANN ( と T)

• ビーム偏極度2010/3/21 Hiromi Iinuma

RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in Brookhaven National Laboratory

1 周　 3.83 km


7

Hydrogen gas jet target system RHIC pp CNI 偏極度計

• 偏極陽子ビーム　• 100GeV/c 、 55 バンチ、 1 バンチあたり 1011 個 (2004 年 ) 、• 加速・周回中は横偏極 ( バンチ毎に任意の spin パターン

…… ) 、• ビーム加速に伴い、減偏極共鳴ポイントを何度も通過、• スネーク磁石を各部分に設置。

• 既存偏極度計： pC 弾性散乱偏極度計　 AGS, RHIC 両リングに各 1つずつ、• 高速オンライン測定　測定＋解析時間合わせて 1 分程度、• 測定結果にオフセットを含む　　絶対偏極度計で要補正。

Pbeam=100 GeV/c O. Jinnouchi , I. Nakagawa

Pbeam=21.7 GeV/c J. Tojo et al. PRL 89, 052302 (2002)


絶対偏極度計：陽子絶対偏極度計：陽子 -- 陽子弾性散乱利陽子弾性散乱利用用

target

beam

etargtN

beambeam P

1

AP

8

P

t

P

ttA

beam

beam

etargt

etargtN

02 inout ppt

水素標的

反跳陽子

陽子ビーム

前方散乱陽子

i / i0 (i=beam 又は target) ならば、

924.0

018.0

P

P

etargt

etargt

i

i

実現のために・・・・高性能偏極水素ガス標的生成に成功　反跳陽子測定可能

、 t ～ 0.001(GeV/c)2 運動エネルギー 0.6MeV まで計測で

きる、弾性散乱イベント同定精度向上。

etargt

etargt

beam

beam

P

P

P

P

私がやった。


9

2. 実験について• セットアップ偏極水素ガス標的システ

ム反跳陽子検出器

• 解析弾性散乱同定バックグランド見積もり


偏極水素ガス偏極水素ガスジェット標的シスジェット標的システムテム • 高さ： 3.5 m

• 重さ： 3 トン

• RHIC ビームとの位置合わせをするために装置全体を x-軸方向に 10 mm 調整可能。

• ガス標的速度 156060 m/sec

zyx

RHIC 陽子ビーム

偏極水素標的

反跳陽子


高周電磁波遷移装置 (WFT, SFT)

六極磁石

解離器

標的偏極度保持磁石

校正用 2nd

高周電磁波遷移装置

P+ OR P-

六極磁石

イオンゲージ

|1> |4> |2> |3>

|1> |2>

|1> |2>

偏極水素ガスジェット標的システム偏極水素ガスジェット標的システム

イオンゲージ

散乱槽

標的偏極度測定装置

偏極水素原子標的製造装置

|1> |2> |3> |4> 超微細構造H = p+ + e-


H2, H2O 分子混入分を補正 (係数 1.037 で割る )

Ptarget = 92.4% 1.8%1 day

水素原子の偏極度　 95.8% 0.1% BRP で

測定

水素原子の偏極度

実験期間中、安定 !

Polarization cycle (+/ 0/ ) = (500/50/500) seconds

%2PP etargtetargt

水素ガス標的の偏極度


標的のサイズ、厚み標的のサイズ、厚み• 衝突点での標的サイズ

FWHM = 6.9 mm

• 反跳陽子の角度分解能 5 mrad 　を保証。

• 2.0 mm diameter compression tube を用いた測定結果とも一致。

• ビームから見た標的の厚み (1.3 0.2 )1012 atoms/cm2

• ガス標的速度 156060 m/sec

• ガス標的強度 (12.40.2)1016atoms/sec設計値を達成。

RHIC ビーム位置を固定 (直径 ~1mm).

システム全体を 1.5 mm ステップで動かす。

弾性散乱事象数の位置分布より、標的形状を算出する。

RHIC-beam と反跳陽子検出器を使用

標的サイズ測定


右

zy

x左

反跳陽子検出器反跳陽子検出器　　　　　　　　　　　　　　（シリコン検出（シリコン検出器）器）

• 散乱槽の左右フランジに設置

• 弾性散乱点（散乱槽中心）から約80cm

• 左右 3ペア

• 検出器スペック

• 厚さ　約 400m 　

• 有効表面積　 60mm 64 mm

• 1 チャンネル 4mm 幅　 5mrad

• 16 チャンネル／シリコン１枚RHIC 陽子ビーム

偏極水素標的

反跳陽子反跳陽子

上


Ch#1

source for energy calibration 241Am(5.486 MeV)

Ch#2Ch#3Ch#4Ch#5Ch#6Ch#7Ch#8Ch#9Ch#10Ch#11,12Ch#13Ch#14Ch#15Ch#16ch#1-16

#ch R , R 大 TR 大 ToF 小

R

ch#1

#16

Deposit Energy (MeV)

反跳陽子検出器（シリコン検出反跳陽子検出器（シリコン検出器）器）

• ガス標的なので、反跳陽子の検出が可能になった。• Deposit energyDeposit energy を運動エネルギーを運動エネルギー TTRR に校正　に校正　 -t -t = =

2m2mppTTRR

衝突点から約 80cm のところにある左右のシリコン検出器が反跳陽子を検出


16

(T(TRR & & ToFToF ) ) を利用しを利用して反跳陽子を同定て反跳陽子を同定

(T(TRR & & RR ) ) を利用して　を利用して　　前方散乱陽子を同　前方散乱陽子を同

定定

1. 適切なチャンネルからのイベント数が弾性散乱事象数になる。

2. 標的・ビームのスピン状態、検出器の左右、 23=8組に振り分ける。2010/3/21 Hiromi Iinuma

17

s=6.8 GeV

s=13.7 GeV

pp 弾性散乱イベントの他に・・・• 非弾性散乱イベント

• pp (p+) p 等、　　寄与は無視しうる

• 校正用校正用 αα 線源のテイル線源のテイル • ビーム起源ビーム起源

バックグランドバックグランド補正　補正　 2~3 %2~3 % 程度程度


18

3. 結果• シングルスピン非対称度 AN

• ダブルスピン非対称度 ANN と T

• ビーム偏極度


19

R0

L0

R0

L0

etargtN NN

NN

P

1A

LRL tb NN

左側の検出器、　　　　　　　　　　　　　　ビームスピンアップ、標的スピンアップ

etargtetargt

R0

L0

R0

L0

R0

L0

R0

L0

etargtN P

1

NNNN

NNNN

P

1A

02 inout ppt

水素標的

反跳陽子

陽子ビーム

前方散乱陽子検出器の左右、ビーム、標的のスピン状態の計 23=8 通りに振り分けてある。

Square-root-formulaアクセプタンス、ビームと標的の強度のスピン非対称成分を２次の項まで

キャンセル


20

hadN

QEDNN AAA

• 理論計算不確定性大• 複素数パラメータ　 r5

　

20042004 年年 AANN 測定結測定結果果

主要項：陽子の異常磁気モーメント起源　

PLB 638 (2006), 450-454 PRD 79 094014 (2009)

3.9 M events

QEDNA

0.8 M events

1. 　　　は、 s=6.8 GeV でノンゼロ、 s=13.7 GeV でゼロコンシステント

2. 核力のシングルスピン成分の s 依存性を示唆。

hadNA


21

NN

NN

P

1

P

1A

beametargtNN

beam

etargt

etargtbeam P

1

P

1

計算可能、　ほぼゼロ　

ビームと標的両方のスピン情報を用いる。

hadNN

QEDNNNN AAA

• 理論計算不確定性大• 複素数パラメータ　

r2 　

AANNNN

1. ANN 値は、 s=6.8 、 13.7 GeV でゼロコンシステント、

2. 核力のダブルスピン成分はこの s 領域では小。


22

Pbeam=21.7 GeV/c Pbeam ＝ 100 GeV/c

pCNA

ppNA s=13.7 GeV

(Pbeam=100GeV/c)T.L.Trueman博士 (BNL)に実験からのインプットとして提供した。

GeV8.6sAppN

の予言と実験を比較すると・・・。

tot2T rIm2

ANN 測定値から t 依存性のないパラメータ r2 を抽出

1970~1980 年代に多くの T= 測定実験が行われた。（私が生まれて“少し”経った頃）

本実験結果

T

PRD 77, 054005 (2008) PRD 77, 054005 (2008)


23

(2004)3週間

020.00.392PPetargt

beametargtbeam

毎年安定して稼働中！

%5.8P

P

beam

beam 6.1%

(2005)2ヶ月

4.8% (2006) 3ヶ月

5.2% (2008) 1ヶ月

グルグル――オン偏極度測定　深尾祥紀氏オン偏極度測定　深尾祥紀氏 (( 核談新人賞核談新人賞 ) ) 22pBC22pBCPHENIXPHENIX スピン物理関連発表　スピン物理関連発表　 22pBC22pBC 、、 22pBS22pBS2010/3/21 Hiromi Iinuma

24

Resonant Laser Ionization of Muonium (~106 +/s)

Graphite target (20 mm)

3 GeV proton beam ( 333 uA)

Surface muon beam (28 MeV/c, 4x108/s)

Muonium Production (300 K ~ 25 meV)

Muon LINAC (300 MeV/c)

Super Precision Magnetic Field(3T, ~1ppm local precision)

Silicon Tracker


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本学会での関連発表1.22pBE-6 飯沼裕美　ミューオン g-2/EDM 精密測定用の　　　　　　　　　　　　　　　貯蔵リング磁石設計2.23pBS-3 廣田誠子　 J-PARC で行うミューオンの g-2 実験のための　　　　　　　　　　　　　　　ミューオニウム源の開発

20092009 年年 1212 月プロポーザルを月プロポーザルを J-PARC PACJ-PARC PAC提出。提出。強いサポート意見＆多くの宿題を得た。強いサポート意見＆多くの宿題を得た。次の次の PACPAC 目指して目指して (pre-)CDR(pre-)CDR にまとめます！にまとめます！



ANpC

Pbeam=100 GeV/c O. Jinnouchi et al.

|r5|=0|r5|=0

Pbeam=21.7 GeV/c J. Tojo et al. PRL 89, 052302 (2002)

ANpp

Pbeam=100 GeV/cPbeam=24 GeV/c

|r5|=0|r5|=0

AN collection in the CNI region

preliminary

preliminary

PLB 638 (2006), 450-454


28

PPetargt

beametargtbeam

• インストール前の準備から、実験中、解析を終えるまで一貫して取り組み、　　博士論文、 2 本の投稿論文にまとめた。• 偏極度計オンライン解析ツールのパッケージ化をし、加速器オペレータに渡した。

(2004)3週間


29

120mT


80 mm

50 mm

64 mm70 mm

8mm(Center~1st strip edge)

浜松 -type

BNL-type

散乱槽中心• 左右３ペアのシリコン検出器左右３ペアのシリコン検出器

反跳陽子の飛距離～反跳陽子の飛距離～ 0.8 m 0.8 m 　　 (10 < (10 < RR< 100 mrad, < 100 mrad, = =

0.205 rad)0.205 rad)

• 浜松タイプと浜松タイプと BNLBNL タイプタイプ

• 読み出し読み出し chch 幅：共に幅：共に ~4.4mm~4.4mm

• 読み出し読み出し 1ch1ch当たりの容量当たりの容量

• 60 pF (60 pF (浜松浜松 ))

• 80~100 pF 80~100 pF （（ BNLBNL））

• Entrance-windowEntrance-window 厚　　　　厚　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（検出器表　　　　　　　（検出器表面の不感応領域）面の不感応領域）

• 1~3 1~3 m (m (浜松）浜松）

• 0.1~ 0.2 0.1~ 0.2 m m （（ BNLBNL））

• 検出器厚検出器厚

• ~ 400 ~ 400 m (m (浜松）浜松）

• ~ 450 ~ 450 m m （（ BNLBNL））

浜松 -type

各タイプのエネルギー校正方法が異なる。2010/3/21 30Hiromi Iinuma

バックグランド

空標的のデータ：

• ビーム起源

• 校正用 α 線源

空標的、 RHIC ビームなしのデータ：

• 校正用 α 線源


AmGd

ビーム起源

dxdx

dEE

Dx

0x

MAXp

陽子のシリコン中の阻止能 (dE/dx) を用いて、

浜松浜松 -type: 385 -type: 385 5 5 mmBNL-type: 414 BNL-type: 414 5 5 mm

シリコン検出器の“有効感応厚“を算出する。

““ 検出器の有効感応厚”を算検出器の有効感応厚”を算出　出　

(( 反跳陽子の反跳陽子の Maximum Deposit Maximum Deposit Energy Energy を利用を利用 ))


)2 ,1i(

dxdx

dEE

,dxdx

dEE

dix

0x

iGd

dix

0x

iAm

浜松浜松 -type: d1=2.69 -type: d1=2.69 0.06 0.06 m, m,

d2=1.79 d2=1.79 0.06 0.06 mm

BNL-type: < 0.2 BNL-type: < 0.2 mm

1. Entrance-window 1. Entrance-window 厚の算出厚の算出 ((続）続）α 粒子のシリコン中の阻止能 (dE/dx) を用いて、


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陽子陽子弾性散乱におけるシングル およびダブルスピン非対称度の測定

陽子陽子弾性散乱におけるシングルおよびダブルスピン非対称度の測定