ドレル‐ヤン反応断面積の精密測定による陽子内の反クォークのフレーバー非対称性の解明
Revealing Flavor Asymmetry of Anti-Quarks in Proton byPrecise Measurement of Drell-Yan Reaction Cross Section（日本物理学会推薦）

代表研究者 東京工業大学

中野健一

Tokyo Institute of Technology

Kenichi Nakano

This research belongs to the particle physics, and is aimed at understanding the internal structure of the proton.
Recent measurements have revealed that the flavor symmetry of anti-quark distributions (i.e. the amount of u-bar andd-bar quarks) is largely broken.
measured.

Various theoretical models are being studied to reproduce the flavor asymmetry

The E906/SeaQuest experiment at Fermi National Accelerator Lab (FNAL) is to measure the flavor

asymmetry with ten-times better precision.

It utilizes the Drell-Yan reaction in proton+proton and proton+deuteronscatterings.
E906/SeaQuest has started its measurement with the proton beam provided by FNAL.
made in March and April of 2012 in order to check the performance of detector and beam.
running since November 2013.

A test data taking was

Then a main data taking isThe experiment has succeeded in extracting J/psi events for test and Drell-Yan events.

It has been working on optimizing the detector and the beam.

The data acquisition system, hodoscope and wirechamber of the E906/SeaQuest detector are ready for stable data taking.

The trigger, the track-reconstruction algorithm

and the beam intensity will be improved further to earn the required statistics in the rest of the main data taking.

研究目的

破れている事が近年の実験で明らかになった[1]。反本研究は素粒子物理学の範疇に属し、陽子の内部ダウンクォークは反アップクォークより最大で 70%構造の理解を目的としている。陽子は物質を構成すも多い。対称性の破れは新たな物理法則を発見するる基本粒子として普遍的に存在しているが、短距離為に注目すべき現象である。この非対称性を説明す(短時間、高エネルギー) スケールではパートンの多べく幾つかの理論的モデルが提唱されている[2]。そ体系という内部構造が生じる。パートンとはクォーの一つである中間子雲モデルによる予測は測定結果

ク、反クォーク、グルーオンの総称である。陽子はの傾向と一致するが、非対称度の絶対値やクォーク強い相互作用で束縛された最も単純で安定な系であ運動量への依存性は再現できない。

り、強い相互作用の性質を精査する対象として広く研究されている。近年の実験的・理論的な進展によ

本研究は既存の実験データの 10 倍以上の統計りその複雑性が理解されつつあり、現行理論では原的・系統的精度で非対称性を測定し、理論モデルと理を説明できない測定結果が多く発見されている。の比較から非対称性の起源を解明する。この為の実験が、アメリカ フェルミ国立加速器研究所 (FNAL)

本研究は特に陽子中の反クォークの存在量に着目の E906/SeaQuest 実験である。エネルギーが 120 GeVする。強い相互作用のフレーバー対称性に基づいて、の陽子ビームを用いて、ドレル-ヤン反応を測定する。

反アップクォークと反ダウンクォークの存在量は等

この反応は、陽子と陽子の衝突において一方の陽子しいと予想されていた。しかしこの対称性が大きく内のクォークともう一方の陽子内の反クォークが対消滅してミューオン対を生じる反応である。陽子+路 (PMT base) を大電力化するという対策を行なっ

陽子と陽子+重陽子でのドレル-ヤン反応の反応頻度た。

を計測する事により、反クォーク分布のフレーバー非対称性を抽出する。

ワイヤーチェンバーは、粒子の生成方向を精密に(約 500 μm) 測定する低速読出な検出器である。収[1] Phys. Rev. D64 (2001) 052002

集したデータを用いて検出効率と位置分解能を評価[2] Phys. Rept. 303 (1998) 183

し、要求値をほぼ達成している事を確認した。また、
1 台のワイヤーチェンバー (第 3 層上部) で大きなク

研究経過

ロストーク (隣接する読出チャンネルでの混線) がFNAL か ら 陽 子 ビ ー ム の 供 給 が 始 ま り 、見られた。高電圧と読出の電子回路を改良してクロE906/SeaQuest 実験はビーム実験を開始した。先ず検ストークを低減する事に成功した。更に、粒子の入出器とビームの性能を確認する為に、2012 年 3〜4射頻度が高くなると第 1 層のワイヤーチェンバーで月に短期間のテスト実験を行なった。テスト結果に信号の重畳が発生したので、アップグレード用ワイ基づいて装置に必要な対策を施した後、2013 年 11

ヤーチェンバーの製作を進めている。

月より主実験を進めている。目標とする統計精度を達成するには 2 年分のデータが必要であり、長期にビーム強度は、テスト実験で明らかになった第一効率良くデータを収集する為の下準備として、現在の課題である。ビームは 19 ns ごとに塊 (バンチ) では検出器とビームの性能を最適化する段階に有る。

検出器に入射される。テスト実験ではバンチあたり検出器のサブシステムには、トリガー、データ収集の陽子数が不安定であり、要求値 (40,000 個) を越システム、ホドスコープ、ワイヤーチェンバーが有えるバンチが頻繁に観測された。バンチ陽子数が大る。

きくなるとバックグラウンド事象が増加して、ドレル-ヤン反応の測定が困難になる。従って、バンチ陽トリガーは、バックグラウンド事象を除外してド子数を精密に測定し、加速器の装置を調整してビーレル-ヤン反応事象だけを収集する為の電子回路でム強度を安定化するという対策を進めた。更に陽子ある。先ず収集したデータとシミュレーションを比の多過ぎるバンチを測定から除外する (trigger veto)較して、事象の取捨選択が設計通りに行なわれていという機能をデータ収集システムに追加した。

る事を確認した。また後述するビーム強度の問題により、更に効率の良いトリガー方法が必要である事が分かった。

本研究課題では特にビーム強度の安定化と精密測定が重要である。テスト実験に基づいて検討を重ね、2 台の装置を組み合わせてビーム強度を測定する事

データ収集システムは、ホドスコープやワイヤーにした。一つはビーム強度の相対値を高速 (バンチチェンバーやビームモニターから事象ごとに信号をごと) に測定する装置 (Cherenkov Counter) であり、読み出して記録する。テスト実験において、各チャもう一つは絶対値を低速 (5 sec 内の積分値) に測

ンネルからのデータ読み出しや記録装置への書き込定する装置 (Fast Current Transformer, FCT) である。

みに想定以上の時間がかかり、必要な事象を記録し切れないという問題が生じた。読み出すデータ量をCherenkov Counter の製作を平成 25 年 11 月に完了減らす様に読出装置を改良し、記録装置を並列化しし、実験全体のデータ収集システムと連動したデーて書き込みを分散させる事で、問題を解決した。

タ読出を平成 26 年 1 月に実装した。この装置を用いながら加速器を調整する事により、バンチ陽子数のホドスコープは、粒子 (ミューオン) の大まかな安定性を改善した。安定性の指標である duty factor(約 10cm) 生成方向を測定する高速読出な検出器では 30% から 60% へと向上している。また、この装ある。その測定に基づいて、個々の事象を収集する置の信号を用いて、データ収集系は trigger veto をかどうかをトリガーが決定する。粒子の入射頻度が行なう。テスト実験の時点でバンチ陽子数が要求値高い時に検出効率の低下が観測されたので、読出回を越えない割合は 10% 以下であったが、現在その割合は約 70% まで改善された。

トリガーには未だ性能改善の余地が有る。トリガーの改善により、一定のビーム量からより多くのドFast Current Transformer の設計を平成 25 年 10 月にレル-ヤン反応事象を記録できる事になるので、ビー完了し、主要部分 (ビーム電流検知部, 信号増幅器)

ム強度の不安定性によるデータ損失を補えるというを平成 26 年 1 月までに製作した。ビーム強度の安定利点がある。バックグラウンド事象が観測されやす化を進めた後に、この装置からのデータ読出とビーい条件を実際のデータから探し出し、それを除外すム強度絶対値の評価を開始する。これらの装置による様にトリガーの事象選択方法を調節している。同り、ドレル-ヤン反応の反応頻度を要求精度で測定す様に、飛跡再構成アルゴリズムにも未だ性能改善がる事が可能になる。

見込め、一定の記録データからより多くのドレルヤン反応事象を抽出できる事になる。測定データに収集したデータの解析も進めている。ドレル-ヤンはドレル-ヤン反応以外で生じたミューオンが含ま反応から生じたミューオン対は、ワイヤーチェンバれているので、それら不要なミューオンを除外してーによってその検出面内の通過位置として測定され効率良くドレル-ヤン反応を抽出する為に、データ解る。データ解析では、測定された通過位置からミュ析手法を開発中である。

ーオン対の飛跡を再構成し、ドレル-ヤン反応の運動学的量を導出する。様々な実験的誤差を検証する為加速器設備の保守の為に 2014 年 8 月から 2 ヶ月弱に、2 種類の独立な飛跡再構成アルゴリズムを開発でビーム実験を中断する。その期間にビーム強度測して結果を比較しながらデータを解析している。先定器 (Fast Current Transformer) のセットアップを行ず、検出器と飛跡再構成アルゴリズムの性能が要求ない、トリガーと飛跡再構成アルゴリズムの最適化通りである事を確認する為に、性質の分かっているを完了させる。そしてビーム実験を再開して 1 年間

J/ψ 共鳴を測定した。J/ψ 共鳴のピーク幅から検出器強に渡ってデータ収集を続け、反クォーク分布のフ2の質量分解能を評価し、0.3 GeV/c と要求値をほぼ達レーバー非対称性を決定する。

成している事を確認した。上記の改善を行なった後、2013 年 11 月に開始した主実験にて、トリガーの条研究の発表

件を変えて選択的にドレル-ヤン反応を計測できる

口頭発表

事を確認した。

1.

"フェルミ研ドレル・ヤン実験 SeaQuest のテスト
ラン結果", 宮坂翔, 柴田利明, 中野健一, Florian

考察

Sanftl, 後 藤 雄 二 , 澤 田 真 也 , 宮 地 義 之 , 他

研究経過で述べた通り、ビーム実験で得られた結SeaQuest Collaboration, 日本物理学会 2012 年秋

果に基づいて検出器とビームに必要な改善を施した。
データ収集システム、ホドスコープ、ワイヤーチェ

季大会, 2012.09.11-14 / 京都産業大
2.

"Construction of Drift Chambers for Drell-Yan

ンバーは必要な性能を既に満たしており、安定したMeasurement at FNAL SeaQuest", K. Nakano, S.

データ収集を開始できる状態にある。

Miyasaka, K. Nagai and S. Obata, International
Symposium "Nanoscience and Quantum Physics

ビーム強度の不安定性は改善すべき課題である。

2012" (nanoPHYS'12), 2012.12.17-19, 東京国際交ビーム強度の大きいバンチを除外する事でドレルヤン反応の測定は行なえるが、除外した分だけ最終流館
3.

"StatusofFermilab

Drell-Yan

Experiment的な統計精度が悪化してしまう。加速器の装置を改'SeaQuest'", K. Nakano, KEK theory center J-PARC

善して、全ての入射ビームを測定できる様な測定条

branch workshop on Hadron-structure physics at件を実現すべきである。加速器運転グループと協力

J-PARC and related topics, 2013.03.18, KEK Tokai

して、電磁石の電源にノイズ抑制回路を取り付けた

Campus, Japanり、加速用電場のパラメータ (周波数など) を再調整したりと言った対策を進めている。

4.

"フェルミ研ドレル・ヤン実験 SeaQuest のためのドリフトチェンバーの製作とテスト", 永井慧,
柴田利明, 中野健一, Florian Sanftl, 宮坂翔, 小畑滋希, 後藤雄二, 澤田真也, 宮地義之, 工藤優弥,

中野健一, 宮地義之, 他 SeaQuest Collaboration,

他 SeaQuest Collaboration, 日本物理学会 第 68

日本物理学会 第 69 回年次大会, 2014.03.27-30,回年次大会, 2013.03.26-29, 広島大学 東広島キ

東海大学 湘南キャンパスャンパス
5.

10. "Experimental study withDrell-Yan process","フェルミ研ドレル・ヤン実験 SeaQuest の実験

Kenichi Nakano, 日本物理学会 第 69 回年次大会

計画", 宮坂翔, 小畑滋希, 工藤優弥, 後藤雄二,

シンポジウム "核子構造研究の最新結果と将来

澤田真也, Florian Sanftl, 柴田利明, 永井慧, 中野計画

健一, 宮地義之, 他 SeaQuest Collaboration, 日本

2014.03.27-30, 東海大学 湘南キャンパス〜核子のスピン和の理解へ向けて〜 ",物理学会 第 68 回年次大会, 2013.03.26-29, 広島
6.

7.

8.

大学 東広島キャンパス

誌上発表"フェルミ研 SeaQuest 実験のコミッショニング

1.

結果と今後の実験計画", 澤田真也, 小畑滋希,

sea of the proton in the E906/SeaQuest Drell-Yan

後藤雄二, Florian Sanftl, 柴田利明, 永井慧, 中野

experiment", S. Miyasaka, Y. Goto, Y. Miyachi, K.

健一, 宮坂翔, 宮地義之, 他

SeaQuest

Nakano, F. Sanftl, S. Sawada, T.-A. Shibata and S.

Collaboration, 日本物理学会 2013 年秋季大会,Takeuchi, RIKEN Accel. Prog. Rep., Vol. 45, p. 50

2013.09.20-23, 高知大学 朝倉キャンパス(2012)"Status of Physics Run of Fermilab SeaQuest

2.

"Driftchamber

construction

forDrell–YanExperiment", K. Nakano, Meeting on High-energy

measurement in SeaQuest experiment at Fermilab",hadron physics at J-PARC, 2014.02.13, KEK Tokai

K.Nagai, S.Obata, Y.Kudo, S.Miyasaka, Y.Goto,Campus, Japan

Y.Miyachi, K.Nakano, F.Sanftl, S.Sawada, and"SeaQuest の本実験ビームタイムのスタートとT.-A.Shibata, RIKEN Accel. Prog. Rep, Vol.46, p.

実験の進行状況 I", 永井慧, 小畑滋希, 後藤雄

206 (2013)

二, 澤田真也, Florian Sanftl, 柴田利明, 中野健一,

9.

"Measurement of flavor asymmetry of light quark

3.

"Resultsof

thecommissioning

runofatthe

宮地義之, 他 SeaQuest Collaboration, 日本物理E906/SeaQuest

学会 第 69 回年次大会, 2014.03.27-30, 東海大学

Fermilab", S. Miyasaka, Y. Goto, Y. Kudo, Y.

湘南キャンパスMiyachi, K. Nagai, K. Nakano, S. Obata, F. Sanftl, S.

"SeaQuest の本実験ビームタイムのスタートと

Sawada, and T.-A. Shibata, RIKEN Accel. Prog.

実験の進行状況 II", 宮坂翔, 小畑滋希, 後藤雄

Rep., Vol. 46, p. 78 (2013)

二, 澤田真也, Florian Sanftl, 柴田利明, 永井慧,

Drell-Yanexperiment