偏極陽子衝突実験で探る陽子スピンの謎

K.Okada (RBRC) 1

偏極陽子衝突実験で探る陽子スピンの謎岡田謙介

RIKEN BNL Research Center 2011 年 7 月 8 日

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 2

概要• 「陽子スピンの謎」とは• RHIC 加速器での陽子スピンプログラム• PHENIX 実験は RHIC の検出器のひとつ• これまでの結果• まとめ

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 3

物質の起源はなにか？• 水を細かくしていくとどうなる？• 分子は何から出来ているの？• 原子は？• 原子核は？• 陽子は？• クォークは？• 現在のところクォークは素粒子。• クォークは単体では存在しない。

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 4

素粒子の種類

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 5

陽子の仲間（ハドロン）

• クォークが集まった粒子には色々な種類がある。• 陽子、中性子以外の名をあまり耳にしないのは寿命が短くて崩壊してしまうため。7/8/2011

K.Okada (RBRC) 6

小さいものの構造は散乱具合をみる• 例）　金原子の構造1. ぼんやりと雲のような場合2. 正の電荷を持つ原子核が存在する場合

陽子の場合、弾は電子など。7/8/2011

a 線金の原子実態はヘリウムの原子核

K.Okada (RBRC) 7

陽子の中身はもう少し複雑

7/8/2011

散乱実験で分かったこと

グルーオン反クォーク

K.Okada (RBRC) 8

陽子にはスピンという性質がある

• よく陽子の自転に例えられる。• 基本単位（ h=h/2) で 1/2 。• 軸を決めると平行か反平行の 2 種類。7/8/2011

とても役に立つ（例　 MRI ）

K.Okada (RBRC) 97/8/2011

陽子スピン (1/2) の内訳は？• 陽子のクォークスピンの寄与

– たった約２５％。スピン危機 / パズル（ 1980 年代後半）　　　 SLAC/CERN/DESY/JLAB での電子、ミューオン散乱実験　

K.Okada (RBRC) 10

グルーオンが鍵（ RHIC 登場）

陽子

陽子

or

or

gluon

photon

電子 or

or 陽子

g*

gluon

間接的直接的

7/8/2011

陽子スピン＝　　（クォークスピン）＋（グルーオンスピン）＋（軌道角運動量）12 ∆ Σ Δ𝑔 𝐿

電子散乱陽子、陽子衝突

~25%


K.Okada (RBRC) 12

偏極陽子コライダーの実現

7/8/2011

水素ジェット絶対偏極度計

• 初めの偏極を大事に保ち　段階的に加速• 偏極度を測る偏極度計

K.Okada (RBRC) 13

Relativistic Heavy Ion Collider?相対論的重イオンコライダー？• 1991 年　 RHIC の建設開始。• 1993 年　スピン計画実験採択• 1995 年理研と BNL の提携により加速器の特別な磁石（サイベリアンスネーク）等の建設、偏極度計の開発を開始。• 2002 年　世界初の偏極陽子衝突（エネルギー 200GeV) に成功。• 2009 年　エネルギー 500GeV の偏極衝突プログラムの開始。

私　 2001

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 14

ここまでのポイント• 陽子はクォーク、反クォーク、グルーオンから出来ている。• 中身を調べるには散乱の様子を見る。• 陽子のスピンはクォーク、反クォークのスピンの合計では説明つかない。• 偏極陽子コライダー（ RHIC) で陽子スピンの謎を探る。

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 15

RHIC スピンプログラム 3 本柱7/8/2011

K.Okada (RBRC) 16

1 ．グルーオン偏極の測定

グルーオンの絡む反応のスピン依存性を調べる。縦偏極、ダブルスピン非対称度。

7/8/2011

pp hX

分かっている部分知りたい部分

偏極陽子

偏極陽子

観測

陽子のスピン反平行陽子のスピン　　平行　

versus

K.Okada (RBRC) 17

2 ． W 粒子を使った反クォークの種類別偏極測定

7/8/2011

• 十分な衝突エネルギー（５００ GeV ）があると W 粒子をたくさんためることができる。

K.Okada (RBRC) 18

クォークの種類、スピンの向きを特定

• W+ はアップクォークと反ダウンクォーク（ ud ）• W- は反アップクォークとダウンクォーク（ ud ）の衝突からできる。• 「弱い相互作用」の特徴 ( パリティ非保存）から W粒子を作るクォークのスピンは決まっている。7/8/2011

u 　　

d

e/

e/W

K.Okada (RBRC) 19

陽子のスピン反転を比較

• W+ の生成の陽子のスピンに対する非対称度 (AL) を調べることで陽子の中の反ダウンクォークの偏極を調べることができる。7/8/2011

W+d

uW+

d

u

陽子反ダウンクォーク

K.Okada (RBRC) 20

3 ．強い相互作用の理論（ QCD) の理解

• 摂動 QCD 計算の高次の効果が現われる。• 直感的には陽子の進行方向に対して垂直な方向の運動。• 軌道角運動量に関連しているはず。（しかしまだどうつながるかは明解でない。）• 実験と理論が補い合って進化している分野。

横偏極、シングルスピン非対称度

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 21

実験の要• スピンの向き毎の衝突頻度の測定• 偏極陽子衝突による生成物の検出

• 反応の陽子スピン依存性。7/8/2011

加速器のバンチ毎に陽子の偏極の向きを変え、実験環境の時間依存性をキャンセル。

K.Okada (RBRC) 22

PHENIX 実験(RHIC に 2 つある汎用実験装置の１つ）

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 23

PHENIX 検出器

proton proton

Central arms+ Forward muon arms

7/8/2011


K.Okada (RBRC) 25

衝突頻度の測定• 原子核の破片を捕らえ衝突頻度を測定。

前方

前方中央

7/8/2011

proton

proton

K.Okada (RBRC) 26

生成物の検出（例１）• 電磁カロリーメータ

– 中性パイ粒子（反応で一番たくさん出来る）が崩壊した２つの光子を捕らえる。

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 27

生成物の検出（例２）• 電磁カロリーメータとドリフトチェンバー / パッドチェンバー

– W 粒子の崩壊した電子を捕らえる。

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 28

RHIC スピンの結果（ 2011 年現在）7/8/2011

K.Okada (RBRC) 29

グルーオン偏極は小さかった• 中性パイ粒子生成のダブルスピン非対称度（ ALL ）の測定結果

PRL(2004) pi0

PRL(2009) pi0

7/8/2011パイ粒子の横向き運動量

K.Okada (RBRC) 30

グルーオン偏極は小さかった• 極端に大きなグルーオン偏極のモデルは棄却。

PRL(2009) pi0

PRL(2004) pi0

7/8/2011パイ粒子の横向き運動量

K.Okada (RBRC) 31

g に節？de Florian, Sassot, Stratmannand Vogelsang, PRL 101, 072001 (2008).

(横軸）～グルーオンの担う運動量の割合7/8/2011

RHIC 守備範囲

• DSSV グループによるグローバル解析結果– PHENIX + STAR + SIDIS + DIS– g は GRSV-std より小さい　 [g = 0.4 at Q2 = 1 (GeV/c)2]– RHICデータで g(x) の 0.05 < x < 0.2 の領域に強い制限。

RHIC 以前の fit

K.Okada (RBRC) 32

PHENIX での W 粒子の測定（ PRL 　 106,062001(2011))

7/8/2011


K.Okada (RBRC) 34

W 粒子の崩壊を検出する

7/8/2011

W+ e+ + e

W- e- + e

ニュートリノ（）は捕らえられない。


W 粒子の生成の候補のひとつ高いエネルギー、周りすっきり

K.Okada (RBRC) 36

W 粒子のシグナル捕らえた！• W 粒子の電子、陽電子への崩壊。• 横向き運動量の分布の肩の部分

e+

e-

7/8/2011

電子の横向き運動量

K.Okada (RBRC) 37

W 粒子の生成頻度の測定PHENIX で捕まえた分（ pT>30GeV, |y|<0.35 ）全体

Z 粒子の寄与+ : ~7%, -: ~30%PHENIX で捕えた割合 + : ~22%, -: ~15%

陽子陽子衝突での初めての測定

7/8/2011

衝突エネルギー

生成頻度

K.Okada (RBRC)

LHC での測定（ ATLAS ）

7/8/2011 38

ATLAS, JHEP 1012:060,2010 (arXiv/1010.2130v1)衝突エネルギー

生成頻度

http://arxiv.org/abs/1010.2130v1

K.Okada (RBRC) 39

スピン依存性を調べる手順は整ったe+ e-

前後方向の崩壊粒子を捉える検出器が今年完成した。今後数年間でデータを蓄積する。7/8/2011

シングルスピン非対称度（ AL)の 68%CL

（横軸）W 粒子の娘粒子の方位角に当たるもの

AL0 !

K.Okada (RBRC) 40

W 粒子解析のタスクフォース(09-01-23)(09-02-05)(09-02-13)(09-02-27)(09-03-13)(09-03-27)(09-04-10)(09-05-07)(09-05-21)(09-06-12)(09-07-14)(09-07-21)(09-07-27)(09-08-04)(09-08-11)(09-08-18)(09-08-25)(09-09-01)(09-09-08)(09-09-15)(09-09-23)(09-09-29)

(09-10-06)(09-10-20)(09-10-27)(09-11-03)(09-11-09)(09-11-16)(09-11-30)(09-12-07)(09-12-14)(09-12-22)(09-12-29)(10-01-05)(10-01-12)(10-01-19)(10-01-26)(10-02-02)(10-02-24)(10-03-02)(10-03-09)(10-03-16)(10-03-23)(10-03-30)

(10-04-07)(10-04-13)(10-04-20)(10-04-27)(10-05-04)(10-05-11)(10-05-18)(10-05-25)(10-06-09)(10-06-16)(10-06-29)(10-07-07)(10-07-15)(10-07-20)(10-07-27)(10-08-03)(10-08-06)(10-08-17)

Run9 500GeV

DIS2010 (4/19) Chiu

High PT2010 (3/17) Karatsu

DNP/JPS (10/13) Karatsu

APS (2/13) HaggertyLLWI (2/14) Okada

WWND (1/2) KawallW-BNL (6/24) Kawall

ICHEP (7/21) Haggerty

8/17- 9/4 ppg meetings everyday.

JPS (9/11) OkadaSPIN (9/27) Okada

arXiv:1009.0505

2007 RSC(11/30) Okada2008 　　 JPS (9/23) Okada

RHIC spin collaboration(11/21) Okada

PHENIX collaboration(1/15) Okada

Task force (Chiu, Okada)

User’s meeting (6/1) Karatsu

プレリミナリースタンプ

論文投稿2011 年 2 月　論文掲載

データ取得

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 41

使えなかった反応の例

• ドリフトチェンバーのゴーストが出る領域がある。• W 粒子の電荷が分からないので使えない。• 性能の限界に挑む解析。7/8/2011

K.Okada (RBRC) 42

京都大学唐津君

7/8/2011

Kenichi Karatsu: "Measurement of Cross Section and Single Spin Asymmetries of W-Boson Production in Polarized pp Collisions at \sqrt{s}=500 GeV", Ph.D. thesis at Kyoto University, 2011,

この春、京都大学から学位取得。おめでとう。

https://www.phenix.bnl.gov/WWW/p/talk/add_theses.php?editkey=153

K.Okada (RBRC)

RL

RLNA

Right

Left

横偏極陽子のスピン非対称度（新たな QCD 理論確認ツール）

• 測定値は陽子のスピンの向きに対する左右の非対称度

7/8/2011 43

K.Okada (RBRC) 44

クォークの横向きの運動を示唆

• RHIC のエネルギーでも大きな非対称度。• 陽子が大きさを持っていない（ collinear な）描像では現われない。• 軌道角運動量 (L) と結びつけるモデルあり。• まずは詳しく測定することが大事。7/8/2011

(Preliminary)

パートン衝突のアンバランス具合～より価クォークの影響

K.Okada (RBRC) 45

RHIC スピンのこれからの予定7/8/2011

K.Okada (RBRC) 46

W 粒子の反クォーク偏極測定が第一• この先は W 粒子による反クォーク偏極の測定が主な目的。• 重イオン衝突実験の参照データ（２００

GeV) を取る必要性があるが、その際は W粒子の物理にはエネルギーが足りない。– （ PHENIX) 横スピン衝突でなにか新しいものを見つけられないか。– （ STAR)広いアクセプタンスを利用してグルーオン偏極の運動量比依存性を解く。

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 47

PHENIX (now 2011)

7/8/2011

データを取り始めて 11 年

K.Okada (RBRC) 48

sPHENIX 　案 (~2010 後半 )

7/8/2011

•衝突点から全体をカバー•前方の検出器が横向きスピンの物理に重要

K.Okada (RBRC) 49

まとめ• 偏極陽子衝突で陽子のスピン構造の探索を始めて 10 年経った。• グルーオンの偏極度は小さかった。 g に節？• パリティが破れている W 粒子の生成を使った反クォーク偏極度の測定がスタートした。• 横偏極陽子の衝突は摂動 QCD 計算の高次の項の検証になる。今理論と実験が発展している分野。前方への粒子生成が鍵。ただ今の PHENIX実験のセットアップでは弱い。　　 sPHENIX (Super PHENIX)

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 50

一突きで世界の広がる急所？

7/8/2011

イメージ：マインスイーパー　数字が周囲８マスに存在する　爆弾の数を示しており、全部　特定するのが目的のゲーム

初めから分かれば誰も苦労しないけれど…

K.Okada (RBRC) 51

Back up slides

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 52

RHIC

7/8/2011



BRAHMS & PP2PP

STAR

PHENIX

AGS

LINACBOOSTER

Pol. H- Source

Spin Rotators(longitudinal polarization)

Solenoid Partial Siberian Snake

Siberian Snakes

200 MeV Polarimeter AGS Internal Polarimeter

Rf Dipole

RHIC pC PolarimetersAbsolute Polarimeter (H jet)

AGS pC PolarimetersStrong AGS Snake

Helical Partial Siberian Snake

PHOBOS

Spin Rotators(longitudinal polarization)

Spin flipper

Siberian Snakes



K.Okada (RBRC) 57

論文発表までの流れ（ 1/3 ）• 見積もり、下準備

–週一回の物理定例部会の話題として提供– 電磁カロリーメータの校正を請け負って準備

• データ取得に向けて– 特別な設定でとるキャリブレーションデータについて確認。（ランコーディネーター）– 鍵となる検出器の準備状況の把握。（各サブシステム）7/8/2011

K.Okada (RBRC) 58

論文発表までの流れ（ 2/3 ）• データ取得時

– シフト人員の教育– 選択データをセミオンラインで飛跡再構成する手順の構築（ DAQ 、プロダクションチーム）– 検出器の校正のための準備（プロダクションチーム）

• データ解析– 検出器の状況把握– 使う検出器の見極め– バックグラウンドの見積もりの方針決定– コンピュータシミュレーション

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 59

論文発表までの流れ（ 3/3 ）• プレリミナリースタンプ ( 中間発表）

–国際会議で発表して外部の人の反応をみる。• 論文作成（論文作成委員会）

–今のデータからなにが言えるかの検討。– グループ内でのレビュー。–レビュー委員会との打ち合わせ。

• 論文投稿

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 60

新たな摂動 QCD 理論確認ツール（横偏極陽子のスピン非対称度）

+

K

p

p

Forward rapidity 0 at STARat s = 200 GeV Forward identified particles

at BRAHMS

Forward rapidity 0 at PHENIXat s = 62.4 GeV

7/8/2011

K.Okada (RBRC) 61

• 陽子自体小さい。• クォーク、グルーオンが単体で存在しない。• クォーク、グルーオン質量　 << 陽子の質量

陽子

7/8/2011

u ud

よりもむしろ

?

K.Okada (RBRC) 62

常套手段： DIS 散乱実験

• レプトン（電子やミュー粒子）を陽子にぶつけて散乱の様子を観察することで構造を探る。• レプトンは素粒子で構造がない（硬いつぶ）なので分かりやすい。

レプトンg*

7/8/2011


偏極させてスピン構造• 偏極レプトン深非弾性散乱実験

– パートン模型nucleon target

g*

or

or

quark

lepton beam

)()()( xqxqxq

*g

2/1 NSSg

*g

2/3 NSSg

ii

T xqe )(~ 22/1

ii

T xqe )(~ 22/3

)()(

)(

)(

))()((

))()((~

1

12

2

2

2

1 xFxg

xqe

xqe

xqxqe

xqxqeA

iii

iii

iiii

iiii

偏極構造関数

非偏極構造関数


スピン危機（クォークでは足りない）• EMC 実験＠ CERN

J. Ashman et al., NPB 328, 1 (1989). )syst(019.0)stat(013.0123.0

91

91

94

21)(

1

0 1

sduxdxg p

クォークだけが陽子スピンのもとの場合の予想

実験値

K.Okada (RBRC) 65

DIS に回帰（偏極、高ルミノシティ） 2020+

• eRHIC （ electron ion collider) 計画

• 偏極陽子、初の電子イオンコライダー

7/8/2011

eSTAR

ePHENIX 100m |------

--|

Cohe

rent

e-

coole

r 27.55 GeV

22.65 GeV 17.75 GeV

12.85 GeV

3.05 GeV 7.95 GeV

Beam dump

Polarized e-gun

3rd detector

0.6 GeV

25.1 GeV 20.2GeV 15.3 GeV

10.4 GeV

30 GeV

5.5 GeV

30 GeV

30 GeV

27.55 GeV

Gap 5 mm total0.3 T for 30 GeV

V.N. Litvinenko, January 24, 2011

K.Okada (RBRC) 66

個人的なコメント• W 粒子の計画は、始まったばかり。 RHICで W 粒子のパリティ非対称度を初めて確認というところが面白いところ。• 横偏極陽子の衝突実験は、摂動 QCD の新たな舞台として登場。前方への粒子生成が鍵。ただ今の PHENIX 実験のセットアップでは弱い。　　 sPHENIX 。

7/8/2011

Documents

偏極陽子衝突実験で探る 陽子スピンの謎

偏極陽子衝突実験で探る陽子スピンの謎