偏極ビームと偏極標的を用いた核子スピン構造の研究
Study of nucleon spin structure by polarized beam and polarized target
山形大学
派遣期間
研究機関
研究指導者

堂下 典弘
2017 年 4 月 1 日～2017 年 12 月 21 日
European Organization for Nuclear Research (CERN),
CERN, CH-1211 Geneva 23, Switzerland
Dr. Gerhard Mallot

The nucleon, which is either a proton or a neutron, consists of valence quarks, sea quarks and gluons. The nucleon's
spin of 1/2 in units of Planck's constant is carried by the intrinsic spin of those fundamental particles and their orbital
angular momenta. Since the nucleon spin structure research started in 1980s, many experimental results had indicated thatthe nucleon's spin cannot be explained by only the intrinsic spin contributions of the quarks and gluon. Therefore, theCOMPASS experiment at CERN focuses on the orbital angular momenta of the quarks. In 2017 we used a polarized muon
beam with a 2.5 m long liquid hydrogen target to measure Generalized Parton Distributions (GPDs) via Deeply VirtualCompton Scattering (DVCS) process. The total angular momentum of a given quark species is related to the GPDs. In2018 we plan to use a solid polarized proton target with a pion beam to measure Transverse-Momentum-Dependent
Parton Distribution Functions (TMDs) via polarized Drell-Yan process. The TMDs describe intrinsic transverse quarks
momenta. In order to succeed the experimental programs I have prepared and operated the long liquid hydrogen target forthe 2017 run and prepared the polarized target for the 2018 run as a target coordinator.

研究目的

原子核研究機構(CERN)の COMPASS 実験グループ

物質を構成する原子は、核子（陽子・中性子）とでは核子内のクォークの軌道角運動量に焦点をあて電子からなっています。そして、核子は、クォークた研究を行ない始めました[1]。まず、クォークの軌とグルーオンという素粒子から構成されていて、内道角運動量があるのかどうか？そして核子内におけ部構造を持っていることが分かっています。しかしるクォークの位置と動きに関する測定を行なっていながら、核子内においてそれらの素粒子の描像は完ます。

全に明らかになっていません。核子のスピンに注目して核子のスピン構造を明らかにする事が研究目的

研究経過です。

2017 年では、偏極ミュー粒子ビームと 2.5m 長の核子は、スピン 1/2 を持っています。そしてスピ液 体 水素 標的 を用 いて深 仮 想コ ンプ トン 散乱

ン 1/2 は、構成粒子であるクォークやグルーオンの（Deeply Virtual Compton Scattering）の断面積と関スピン、そしてそれらの角運動量からなっています。
しかし、それらの構成要素がどのように核子スピンを担っているのかはまだ分かっていません。1990 年

係 付 けら れて いる 一般化 さ れた パー トン 分布（Generalized Parton Distributions）関数の測定を行代以降、国際的に行なわれたクォークスピン測定、ないました（GPD プログラム）。一般化されたパー

2000 年代のグルーオンスピン測定によって、クォートン分布関数は 3 次元核子トモグラフィーとしてクとグルーオンのスピンだけでは核子スピンを説明新たな核子構造のイメージング手段として注目しできないことが分かりました。そのためヨーロッパており、現在の COMPASS 実験のセットアップにおいて 4 つある一般化されたパートン分布関数のう

上旬にシステムを冷却し始め、液体の温度を一定

ち 2 つ測定が可能であります[2]。また、散乱断面に保ためのレギュレーターの調整を行い、6 月上積は核子内における横方向のクォークの核子中心旬から本格的にデータ収集を開始しました。そしからの距離がわかります。これは“核子のて、10 月 20 日まで行なわれたデータ収集期間中、Transverse イメージング”として知られており、液体水素標的の温度は 0.03%以内の安定性を実現

Transverse サイズ測定のためのデータ収集も行できました。この温度から液体水素の密度を計算ないました。また、クォーク軌道角運動により、できます。密度はデータ解析による散乱断面積の散乱断面積にスピン非対称度が現れます。2018 年

算出する上で重要なパラメーターであり、その温の実験ではパイ粒子ビームとそのビーム方向に垂度の安定性が直接実験データの不確定性となるの直にスピン偏極させた偏極固体核子標的によるドでとても重要です。

レル・ヤン過程を調べます（偏極ドレル・ヤンプ

また、2018 年の実験の準備を同時に行いました。

ログラム）。
そして散乱断面積のスピン依存性から標的の大きさは、直径 4cm で長さが 55cm の円筒形

核子内のクォークの角運動に関わる横方向運動量のセルをビーム軸に 2 つのセルを直列に並べます。

依数

数ミリサイズの粒の固体アンモニアをセルに充填（Transverse-Momentum-Dependent Parton Distributionして陽子の標的物質として使用します。固体アンFunctions）の Sivers、Transverse 運動量分布関モニアは、2011 年に製作され、ほかのプログラム数の抽出を行ないます。
この Sivers 分布関数にはで使用してきました。現在液体窒素の中で保存さQCD 理論からの興味深い予測があります。それは、れています。過去に使用した固体アンモニア粒にドレル・ヤン過程の Sivers 分布関数と深部非弾性氷などの不純物が混入してしまったので、9 月に散乱過程の Sivers 分布関数とは互いに逆符号をそれらを取り除きました。10 月下旬からは本格的持つ、というものです[3]。COMPASS は 2007 年とに偏極標的システムの準備を行ないました。この2010 年に深部非弾性散乱での Sivers 分布関数の偏極標的は重量 5 トンの超伝導磁石や到達温度測定を行っており、同じ実験装置を用いて偏極ド50mK の冷凍機などから構成されており固体偏極レル・ヤンプログラムを行い、この QCD 理論を通標的としては世界最大級であります[6]。データ収して核子スピン構造の理解を深めます[4]。

集期間終了後、液体水素標的システムから偏極標存のパートン

分布関私は、標的グループの責任者として 4 月に 2017

的システムへの移行にあたり、CERN のテクニカル年実験のために 2.5m 長液体水素標的システムのサポートチームとの打合せを頻繁に行いました。

準備を行ないました。この液体水素標的システム

そのおかげて順調に 11 月に標的システムの設置、は、2012 年に行なったパイロットランにあわせてヘリウム３循環用のパイプのインストレーション製作されたものです[5]。
そのシステムの改良をしを滞りなく進めることができました。そして冷却つつ実験の準備を行ないました。重要な改良点とシステムの断熱真空用ポンプシステムのインストしては、液体水素の液面位置情報を把握できなかレーションを行い、断熱真空部のリークチェックったことです。実験途中に一度装置を停止させ、を行ないました。

ガス残量から再計算して液面を計算する必要があ

また、別の CERN のテクニカルサポートチームと、りました。そのため、液体水素の液面位置をモニ超伝導磁石システムの冷却、コミッショニングのタリングすべくシリコンダイオードを装着し、そための準備を行ないました。実験で生成する中性の信号の読み出しを行い、COMPASS のスローコン子などの放射線によりコントロールシステムが影トロールシステムへデーターを送り、常に液面位響をうけます。そのためシステムの CPU を移動を置を把握できるようになりました。そして、5 月提案し、コンクリート、ポリエチレンとボロンカーバイトで囲いました。
動的偏極法[7]を用いて陽布関数は、いくつかのモデルによる計算予測も世界

子を 2 日間程度かけて 80%以上の偏極度で実験し的に行なわれています。測定誤差が十分小さければます。2 つのセルをそれぞれ反対方向に偏極させそれらのモデルが測定値と合うかどうかも区別できることでシステムの誤差を抑えることができます。
また、ソレノイド磁石とダイポール磁石を用いるるようになり、今回の実験データではそれも期待できます。つまり、モデル計算と実験測定の両面からのアプローチにより、核子の内部構造の理解がよりことで偏極方向をビーム軸に垂直にさせることが深まることが期待できます。また、同時に 2018 年のできます。偏極度を保ったまま偏極方向を変える実験で必要となる偏極固体陽子標的システムの準備ために 2.5T ソレノイド磁石と 0.6T ダイポール磁もおこないました。2018 年も標的グループの責任者石を備えている超伝導磁石の新たなオペレーショとして偏極標的システムの準備、運転を行なう事にン方法を提案しました。

なり、偏極ドレル・ヤンプログラムのデータ収集を行ないます。

考察
COMPASS 実験グループは、15 年間に渡り「核子スピン構造」の実験研究を行なっています。長期間になる理由は、必要とする散乱事象の確率がとても低いため実験自体が難しく、統計精度も必要となります。そのため、一つのプログラムに数年かけてデータ収集を行ないます。私は、今回の派遣において標的グループの責任者として液体水素標的の準備、運転を行いました。そして、散乱断面積を算出する上で重要な液体水素標的の密度を 0.3％以内の誤差で保ちました。それにより、より質の良いデータ収集を実現できました。
2017 年 12 月の段階で、収集したデータの中から必要と思われる事象だけのデータを選別する作業を行ない始めました。得られる一般化したパートン分

参考文献[1] COMPASS-II Proposal, SPSC - P340, CERN – SPSC
– 2010 - 014[2] M. Burkardt, AIP Conf.Proc. 588 (2001) 199-203[3] J. C. Colins, Physics Letters B 536 (2002) 43[4] M. G. Alekeeev, et al., Physics Letters B 692 (2010)240[5]

N. Doshita, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 746(2014) 20 – 25
[6] 堂 下 典 弘 他 , 日 本 物 理 学 会 誌 67 (2011)905-913[7] S.T. Goertz, Nucl. Instr. and Meth. A 526 (2004)
28-42