■研究紹介
強い相互作用のもたらす質量の謎を追って
PSPS-E325 実験奮戦記
延与秀人（理化学研究所）
PS‐E325 共同実験グループ
enyo@riken.go.jp
2001 年 12 月 7 日
１．はじめに

２．E325
２．E325 の物理

KEK の PS の北カウンターホールに EP1-B という一次

前述のように、質量をほとんど持たないカレントクォービームラインがある。ここに 1996 年以来座りつづけ、実クは「カイラル対称性の自発的破れ」により有効質量を1験を続けているのが E325（愛称はφ）である 。立ち上がり当初は笹尾 CP 実験の影で、その後は西川ニュートリノ得てバレンスクォークになる。この破れの程度をあらわす量が真空のクォーク凝縮 < q q > である。この値の温化し、来る新年には 360 シフトのビームタイムを終え、め度と密度の依存性は理論的に予想されている（図１）。すなわち < q q > は真空で、ある有限値をとっているが、高でたく実験を終了する。解析はいまだ半ばであるが、こ密度、高温度状態ではその値が減少し、ある臨界値での実験から生まれつつある成果を紹介しよう。

ゼロになる。すなわちカイラル対称性の破れが回復する

実験の影で、ゆっくりではあるが着実にビームタイムを消ハドロンの質量の 99%は強い相互作用の自発的対称わけである。 残念ながらクォーク凝縮は観測量ではな性の破れによって作られるわけで、これはそもそも有効いため、実験的にこの現象を押さえるためにはもう一段質量なのだから、周りの状況が変われば変わるのはあの理論の助けが要る。

る意味あたりまえである。温度を上げたり、密度を変えたりしてハドロンの、そしてクォークの物性を調べてみようというのがこの実験の基本的動機である。温度を上げるな
ら RHIC へ行って、高エネルギー原子核衝突で高温度状態を作るのがよかろう。密度を上げるなら JHF に行って重イオンを加速し高密度状態を作ればよかろう。こういった重イオン物理は面白いが、温度も密度も時間とともにめまぐるしく変化してしまう。ならば、天然の高密度状態、原子核を実験室にしてみたらよいのではないか。なにしろ密度が「飽和」して核内で一定の値をとっていることは既知の事実であるのだから。
このような考えに基づいて E325 実験は企画された。

図１ 密度と温度に対する < q q > の依存性

基本的には原子核の中で崩壊するベクターメソンを電子陽電子対で測ろうというものである。 電子を測ろうとする

図２に示したのは初田と Lee による、有限密度下でのとターゲットは厚くできないので、薄くする。電子対崩壊

ベクターメソンの質量変化に対する QCD Sum Rule に基9は頻度が低いので反応レートを稼ぐために 10 /Spill のビづいた理論予想である 2 。彼らの提案のポイントは、クォームを突っ込んで 360 シフト走ろうという結構大仰な実験ークの有効質量がもっとも都合よく現れる系としてベクタになった。以下、厳密性は程々にして、物理と実験の内ーメソンを見なさい、ベクターメソンは温度や密度が変わ容を述べる。

るとクォーク凝縮の値の変化の影響を受け、その質量を変えるであろう、その現象は原子核密度程度でも有意にソンについて、核研 ES の TAGX がヘリウム原子核中のあらわれるだろう、というものである（厳密にいうとスペクρメソンについて、それぞれ実験データを出しているのトラル関数が変化する）。

で、興味がある方は参照していただきたい4。
３．Ｅ３２５実験手法

図２ 有限密度下でのベクターメソンの質量変化。ハッチ部は理論的不定性をあらわす。

このような質量変化を実験的に見る実験的手法は２つある。１つには、核物質中で崩壊するメソンの不変質量
分 布 を 見 る こ と で あ る 。 こ の と き に は final stateinteraction を考慮するとレプトン・ペアの測定が望ましい。
又、φメソンの場合の特殊な状況として、主たる崩壊モードである K＋Ｋ－チャンネルへのＱ値が小さいことがあり、φとＫの質量変化の影響を受け、核内では崩壊比が変わる可能性もある。そこで実験としての狙いは、ρ/ω/
φ→e＋e－とφ→K＋Ｋ－両崩壊モードの測定においた。ここで注意すべき事は、核内で崩壊する場合、観測される不変質量は運動量の関数になる、すなわち分散関係を図３ E325 実験セットアップ。平面図（上）と K アーム部分の断面図（下）持つことであるが、この分散関係が真空と異なっている事を確認する為に不変質量分布がとてもよい指標となることは疑いがない。
もう一つの実験的手法はメソンが軽くなるならバウンドされるはずであるから、そのようなバウンドステートを探せばよかろうというものである。これについては最近発見された鉛原子核での deeply bound pionic state の実験と同様な手法で探索を行うべく、ＧＳＩにて東大、東工大グループが準備中である3。
本実験は前者の方法を取ったわけであるが、同様の不変質量の方法でマスシフトの情報を与えている実験として、CERN の重イオン実験 CERES が高温状態でのρメ

図３に実験のセットアップを示す。基本的にダブル・アームタイプである。電子のアクセプタンスを稼ぐために水平方向は 6°から 90°、垂直方向には±22°をカバーしている。電子の同定は大気圧のイソブタンガスをつめたSegmented Gas Cherenkov と鉛ガラスの電磁カロリメーターで行っている。この鉛ガラスはトリスタンからのお下がりを加工して連結し、長手方向ではなく横から電子が入射するようにして用いた。これでも結構よい分解能（１ＧｅＶで 15%程度）がでるので、予算のない人にはお勧めである（四日市悟氏のアイデア）。
Ｋの同定は屈折率 1.03 のエアロジェルとＴＯＦを組み合わせて行う。早いＴＤＣを用いトリガー時にＫをエンハンスさせるのは今やＰＳ実験の常套手段である。エアロジで 14 層ある。最近、後述する面白い結果が出てきたのェルの開発には BELLE の PID グループに大変お世話にで、トラッキング精度をより向上させるためバーテックスなった。製作は BELLE と同時期になったため茂利製油とチェンバー3 層を追加した。磁場は直径 2m ギャップ１ｍいうところの超臨界乾燥施設を用いて行った。こいつはで、中心に原子核ターゲットを 3 枚串刺しで置く。中心か普通は化粧品や缶コーヒーなどの香料を抽出している

ら最後までの Bdl は 0.81Tm である。磁石は核研から移釜であった。ここに泊り込みで監督・指導にあたった石野送された FM マグネットを改造して作った。塗りなおしもし雅也氏のおかげで、今やエアロジェル生産は外注できるていないので、昔のＦＭサイクロの関係者には一度ごらようになったわけである。茂利製油ではその後、BESS やんになっていただきたい。当時をしのばせる落書きなど

HERMES のエアロジェルを作っている。

が楽しい。
４．実験結果図５に最近 Physical Review Letter に掲載された本実験結果を示す5。これは電子陽電子対の不変質量分布を大小２種類（Cu と C）のターゲットで比較したものである。
低いマスの部分がないのは左右のアームそれぞれに電子・陽電子を要求しているからである。
メソンは原子核反応で生成され崩壊する時、その寿命に従って、ある確率で核外および核内崩壊をする。見たいのは核内崩壊であるが、核外崩壊のピークが実験データの基準点として役に立つ。実験セットアップは重心系

図４ 実験セットアップ。上流から円筒型チャンバーと初段ガスチェレンコフカウンターを臨む。

バックワードのアクセプタンスを広げて、原子核内部で崩壊するベクターメソンを効率よく収集する。

トラッキングは両アーム共通で円筒型のドリフトチェンバーとバレル型のドリフトチェンバーで行っている。全部[events / 50 MeV/c 2]
30a)

100

from lighttargets80

fit resu lt
e +e −60b)from heavy
target25
20

f it re su lt
e +e −

ω ,ρ , φω ,ρ ,φω0

π e +e −0ω π e +e −co mb in ato rial

15

co mb in ator ial

4010200500.2 0.4 0.6 0.811 .2 1.4 1.6 1 .8 2
[GeV/c 2]e+ e − invar iant ma ss

000.2 0.4 0.6 0.8

11.2 1.4 1.6 1.8 2[GeV/c 2]e e invariant mass+ −図５ KEKKEK-E325 で測定された電子対不変質量分布。得られたスペクトラムを、 combinatorial background と既知の電子対のソース、ρ、ω、φおよびそれらのダリッツ崩壊、でフィットしたもの。 重い原子核の場合、ωメソンのピークの下側に顕著なエクセスが見える。

図５をみると銅原子核の場合にωメソンのピーク（核外みえた。しかし、a0/f0 メソンの生成率とその K＋Ｋ－へへの崩壊によるもの）の下側に顕著なエクセスが見える（3σ崩壊比がよく分ってないために、目指すシグナルがそれ効果）。しかし炭素ターゲットの場合にはそのようなエクセからの染み出しと区別できていない。現時点ではφが核スは見えない。 このエクセスが核内で崩壊したメソンに内では K＋Ｋ－に崩壊できなくなっている可能性も残されよってもたらされた事は確かである。 ベクターメソンは有ている。ここでも電子対測定との比較が重要になってい限密度下ではその質量が下がるということが実験的に確る。

認されたわけである。これはとても重大なことである。 こ

他にもベクターメソンの生成確率の原子核質量数（A）のエクセスをもたらす機構がカイラル対象性の部分的回依存性のデータを得た。φの生成レートを Aαで書くとα復に結びついているのか否かが今後の研究の焦点となは 1.01±0.09 と予想外に大きくなったが、JAM6と呼ばれる。

る核内カスケード計算をやってみると、絶対値も質量依現状での問題点として、これがωによるものかρによ存性もよく再現された。アクセプタンスは限られているが、るものなのかが特定できないことがある。そのために解そこでの分布もよく再現された。コードの中の生成過程を釈にはどうしても不定性が残ってしまう。別の批判として、追っかけてみると、φは原子核の表面で起こる最初のメソンが核内で散乱をするため等価的に質量が下がって12GeV 陽子の散乱ではなく、そこで生成されたメソンの見える可能性も上げられているが、実際の理論計算では二次散乱で生成されているため、原子核の厚みが効いこの実験で見えたような効果を生み出すほどの影響はなてαが大きくなっていることが分った。また、ポリエチレンい事が示されている。と炭素ターゲットの差っぴきでもとめた水素原子核でのこのような状況を打ち破るには、φの電子対チャネル

ωの生成レートは、過去の実験とよく一致していることがでの不変質量分布がキーポイントになるが、これにはも示されている。こういった確認は地味であるが、実験をやっと統計が要るので、収集したデータの解析が終わるまっている当人にとっては非常に重要である。

＋－

でおあずけである。現状でお見せできるのは K Ｋ の不変質量分布である。実際スペクトラムをよくみるとφのピークの下にバックグラウンドでは説明しがたいエクセスが[ counts / 4 MeV ][ counts / 4 MeV ]from light targets+ -K K invariant mass

[ GeV ]

from heavy targets+ -K K invariant mass

[ GeV ]

図６ K＋Ｋ－の不変質量分布。combinatorial backｇ
backｇrouｎrouｎd と既知の K＋Ｋ－対のソースでフィットしたもの。 ハッチ部は＋ －a0/f0→K Ｋ の寄与。

５．終わりにカイラル対称性の回復現象という言葉は、この実験をはじめたころにはまだあまり耳慣れないものであったが、参考文献
1.
2.

いまや原子核屋が解決すべき重大問題だという認識になって来たようである。ある意味、この実験はドンキホーテ役を引き受けたわけで、先見の明があるとも無鉄砲で3.

あるとも言える。どっちだったかはφ→e ＋e －のデータがものになったところで明らかになるであろうが、少なくとも4.

現時点で言えることは、ベクターメソンは原子核内でマスシフトを起こしているという事実である。
こういった物理は理論的にも実験的にも未だ勃興期であるが、すくなくとも理論的には日本の物理屋の寄与がとても大きい分野である。実験側の一層の奮起が待たれ

5.ている。
この実験はプロポーザルから数えると、すでに足掛け８年になり、学生中心で進めるプロジェクトとしてはとても長い。にもかかわらず、この実験に取り組んでくれた京都の学生諸君には本当に頭が下がる。特に、三原智（現東大素粒子センター）、四日市悟（現理研）、石野雅也（現東大素粒子センター）、小沢恭一郎（現東大 CNS）、田原司睦（現理研）、成木恵（京大在学中）、武藤亮太郎（京大在学中）、佐久間史典（京大在学中）の諸氏にはこの紙上でその努力に感謝するとともに今後の奮闘も大いに期待したい。
トータル３６０シフトというビームタイムは原子核屋が提案した単体のＰＳ実験としては（もうすぐシャットダウンするだろうから）空前絶後である。この実験をサポートしてくれたＰＡＣを含むＰＳ実験関係者、特に一次ビームの調整やトラブルのたびに夜中まで付き合ってくださるビーム
チャンネルの皆様に感謝したい。

6.

実験の詳細は E325 homepage を参照:
http://www-nh.scphys.kyoto-u.ac.jp/phi/
QCD sum rules for vector mesons in the nuclear
medium. T.Hatusda and S.H.Lee, Phys. Rev. C46(1992) R34
GSI/SIS proposal S214, Search for bound η- andω- nuclear states using the recoilless (d, 3He)
reaction.
Low Mass e+e- Pair Production in 158/A-GeV Pb Au Collisions at the CERN SPS, its Dependence on
Multiplicity and Transverse Momentum.
G.
Agakichiev et al. (CERES collaboration), Phys. Lett.
B422 (1998) 405. Evidence for ρ0 Mass
Modification in the 3He(γ, ρ0)ppn Reaction.. G.J.
Lolos et al. (TAGX Collaboration), Phys. Rev. Lett.
80 (1998) 241-244.
Observation of ρ /ω Meson Modification in Nuclear
Matter, K. Ozawa et al., (PS-E325 collaboration)
Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 5019-5022.
Study of Relativistic Nuclear Collisions at AGS
Energies from p + Be to Au + Au with Hadronic
Cascade Model.
Y. Nara et al., Phys. Rev.
C61:024901 (1999)