KEKにおける原子核物理のロードマップ
2012. 7. 29
核物理委員会

宇宙における物質（クォーク多体系）の起源と進化

温度 ビッグバン（初期宇宙）
Tc~170 MeV

クォーク・グルーオン・プラズマ (QGP)

膨張による冷却
ハドロン形成相転移（質量獲得,クォーク閉じ込め）
ハドロンの謎
バリオン

メソン?

元素合成

中性子星

恒星
H, He→ Fe

高密度クォーク･ハドロン? 物質の謎

相転移

重力圧縮

ウランにいたる
重力圧縮
元素合成の謎0

Fe→ U

超新星爆発?
原子核クォーク星?

rcsクォーク出現~ 5-10 r0
高密度核物質密度
クォーク物質（カラー超伝導）宇宙における物質（クォーク多体系）の起源と進化

温度 ビッグバン（初期宇宙）
Tc~170 MeV

クォーク・グルーオン・プラズマ (QGP)
高エネルギー

膨張による冷却
ハドロン形成相転移（質量獲得,クォーク閉じ込め）
ハドロンの謎バリオン

ハドロン物理（J-PARCハドロン施設）

原子核衝突実験（RHIC＠BNL, LHC＠CERN）

メソン
原子核衝突実験（J-PARC重イオン加速）?

元素合成
不安定核･天体核物理
恒星（理研RIBF+ KISS)
H, He→ Fe0

中性子星
ウランにいたる
重力圧縮
元素合成の謎Fe→ U

超新星爆発?
原子核

高密度クォーク･ハドロン? 物質の謎

相転移クォーク星?

重力圧縮

ストレンジネス核物理（J-PARCハドロン施設）

rcsクォーク出現~ 5-10 r0
高密度核物質

密度クォーク物質（カラー超伝導）KEKにおける原子核物理のロードマップ 【概要】
 今後５年間の原子核コミュニティの最優先課題として、J-PARCハドロン施設に一次陽子･高運動量ビームラインを建設し、ハドロン実験施設の拡張に着手する。
 現在進行中の天体核物理プロジェクト（KISS）を理研と連携して推進する。
 J-PARCの ストレッチャーリング建設、重イオン加速の可能性について検討する。

一次陽子･高運動量ビームライン
 ハドロン施設のスイッチヤード上流部で陽子ビームの一部を分岐
 分岐部に2次粒子生成標的を設置し、新設ビームラインに高運動量2次ビームラインとしての機能を加える
 ハドロン物理（質量起源、ハドロン構造）を本格的に展開
 COMET用のラインとともに概算要求中

E16実験
1次陽子・高運動量ビームライン

一次陽子･高運動量ビームラインでの物理 ハドロンの質量起源の解明
カイラル対称性の部分的回復により、原子核内でハドロン質量が軽くなる→ 質量起源の初めての実験的証拠に
eKEK-PSの実験で示唆あり
e+
E16実験：核内でのfメソンの不変質量を精密測定

30 GeV pee+

KEK E325f ハドロン構造の理解
チャームバリオンの励起状態の高分解能分光
e+e- invariant mass
→ クォーク間相関が弱い c クォークを用い、u, d クォークのハドロン内相関を浮き彫りにする
分散整合ビームラインと新規スペクトロメータで、従来の10倍の質量分解能で測定
 核子のクォーク・グルオン構造とスピンの起源の解明
Drell-Yan過程、heavy-flavorや直接光子生成過程 -> sea quark (ubar,dbar)分布, spin構造
COMPASS（CERN）、RHIC（BNL）、SeaQuest（Fermilab）と異なる運動学領域(X2)ハドロンホール拡張計画
ハドロン施設の面積を拡大
第二、第三標的と4本程度の二次ビームライン設置-> 実験の同時実施による研究効率の向上（多数の採択済実験の待ち行列を解消、新規提案に対応）-> 新ビームラインによる新しい研究の展開
K1.8BR

K1.8
K1.1
HRKL

KL

K10

High-p拡張部分

ハドロンホール拡張による物理 K1.1ライン 0.5～1.1 GeV/c K-, SKS設置
S=-1のハドロン多体系
Λ核のγ線精密分光、弱崩壊過程、
Σ-原子核系の分光、 Λ, Σ-核子散乱 K1.8/K1.8BR ライン(現有): 1～2 GeV/c KS=-2のハドロン多体系
Ξ核, Ξ原子, ΛΛ核, Hダイバリオン, Ξ-核子散乱→ バリオン間相互作用、高密度核物質
核内バリオン性質変化K1.8BR

K1.8

 K10ライン： 3～10 GeV/c K, pbar
S=-2,-3 バリオン（Ξ, Ω）の励起状態、グルーボール等のエキゾチック粒子、σメソンの核内崩壊、核中でのDメソン, ηc , J/yの相互作用、複数のK-を含む高密度原子核→ クォーク閉じ込め、質量獲得機構

 HR: 運動量分散整合型 1～2 GeV/c π
広い質量数のΛ核･ 中性子過剰Λ核･Σ原子-原子核ハイブリッド状態等の高分解能（～200 keV FWHM）分光、ハイパー核の磁気モーメント測定→ 核内でのバリオンと核力の性質変化

K1.1
HR

KL
High-pK10KL

将来のJ-PARC加速器高度化
 ストレッチャーリング
 速い取出し（ニュートリノ実験）と遅い取出し（ハドロン実験）の同時実施
 遅い取出しビームのduty factor（取出し時間の割合）が100%近くまで向上
 電源リップルに起因する現状のスピル構造が大幅に改善→ ハドロンホールの実験時間が大幅増加、効率的な加速器運転

 ハドロンホール拡張後の建設着手にむけて、検討を進め、計画の策定、技術開発を行う。

 重イオン加速 15～25 GeV/Aの重イオン衝突で、実験で到達可能な最高密度のクォー
ク・ハドロン物質が生成 → QCD相図の高密度領域を探索 入射用専用重イオン加速器の建設、高能率重イオン源の開発、現加速器の原子核加速への対応 が必要

 検討を開始。一次陽子･高運動量ビームラインの実験からフィードバック。

天体核プロジェクト(KISS)
ウランにいたる重元素の起源の解明
 r-process（速い中性子捕獲過程）シナリオは本当か？
= 高い中性子密度環境で中性子過剰核を経由して一気に合成
 合成が行われる天体（環境）はどこか？

合成過程に関わる中性子過剰核の半減期、質量、励起状態、崩壊様式、中性捕獲断面積などの知識が欠如 （特にA=195ピー
クの滞留核）
データなし、中性子過剰のため理論的推測も困難

重要な中性子過剰核を原子核反応で生成し、これらを測定
理研RIBFのビームを用い共同研究として進める天体核プロジェクト(KISS)の進め方
 第一段階（2010年～2014年度、国際レビューを受けてスタート）
 KISS (KEK Isotope Separator System; 元素選択機能を持つ質量分離装置）を製
作、理研RIBFに設置
 中性子数N=126近傍の未知の中性子過剰核を多核子移行反応で生成、半減期や質量などの測定から、この領域での理論予測精度を向上

 第二段階 RIBF次期計画による増強後、大強度KISS

中性子過剰核ビーム(140Xe等)使用

KEK Isotope Separation System A=195ピークの滞留核を直接生成、

Argon-gas catcher cell
+ Laser resonant ionization (Z)+ Mass separation (A)+ Low-background det. system

半減期や質量を測定
 KISS前段にガス充填型高立体角ビー
ムフィルター設置、N=184の超重元素の探索などの重要テーマにも利用 共同利用実験方式
KEKがRIBFに独自の装置(KISS)を設置、共同利用実験を行う（KEKが課題募集、PACを理研と共同開催）

Decay
measurement
stations

E3-room

Ar-gas inlet
0.5atmMass separator
198Pttarget

Slit forLaminar flow

136Xe beamE2-roomJ3-room
Element selective
mass-separator
KISS
KEK Isotope
Separation System

Light shield
Ion collector
05 cm

Exit holeLaser