様々な中間子光生成反応実験による、非摂動 QCD の枠組みでのバリオン共鳴の研究

Studies of baryon resonances in the non-perturbative QCD by various meson photoproductions
at the SPring-8/LEPS facility
研究代表者 岐阜大学

住浜 水季

Gifu University

Mizuki Sumihama

協同研究者 大阪大学

堀田 智明

Osaka university

Tomoaki Hotta

大阪大学

依田 哲彦

Osaka university

Tetsuhiko Yorita

大阪大学

村松 憲仁

Osaka university

Norihito Muramatsu

大阪大学

中野 貴志

Osaka university

Takashi Nakano

オハイオ大学 Kenneth Hicks

Ohio University

Study of baryon excited states (resonances) is important and interesting tounderstand a quark picture of baryons. The constituent quark model in which a baryon
consists of three constituent quarks has been very successful in describing the groundstate of the flavor SU(3) octet and decuplet baryons. However, there are still many
missing baryon resonances, especially around 2000 MeV. To explain such high-mass
resonances, a modification of the constituent quark model or a new dynamics to describe
the inside structure of baryons may be required. The search of high-mass resonances byusing photoproduction of various mesons will provide important information on a quark
structure of baryons.
The γp  π0p and γp  ηp reactions have been studied by using linearly polarized
photons at the SPring-8/LEPS facility with the photon energy of 1.5−3.0 GeV. The large
bump structures were observed above 2 GeV in both η and π0 photoproduction. It isinferred that this unique structure in η photoproduction is due to a baryon resonancewith a large ss̅ component which strongly couples to the ηN channel, and the bumpstructure in π0 photoproduction is due to a high-spin resonance. These data will beuseful to establish new baryon resonances and give a new insight to understand thequark structure of baryons.
研究目的

記述するために導入された描像で、幾つかの粒子メソン粒子は２つの、バリオン粒子は３つの構の質量や磁気モーメントで、その予言値と実験値成子クォークでできているとする‘構成子クォーの良い一致を示している。

クモデル’は、アップ（u）, ダウン（d）, スト

しかし構成子クォークとは、ハドロンの中に閉レンジ（s）クォークからなる基底状態のバリオ

じ込められた‘裸の’クォークに、仮想グルーオン・メソンを非常によく説明している。構成子クンや、クォーク―反クォーク対がまとっている状ォークモデルはハドロン粒子の特性を最も簡単に態であり、その構成子クォークを基本的な素粒子とする描像に限界が見えている。例えば、構成子カウンターを設置することで、バックグランドレクォークモデルで予言された粒子のうち 1700 MeVベルをどの程度下げられるか検討した。以上 2 点以下の質量をもつ共鳴（励起）状態については、について報告したい。

実験で発見され、その性質（質量、幅、スピン、研究経過と考察カップリングなど）が明らかになっているが、1700（１）

実験方法についてMeV 以上の重たい励起状態はほとんど発見されて本研究は、西播磨の大型放射光施設スプリングいない。1700 MeV 以上というと、陽子や中性子のエイトにて行われた。この実験施設は 8 GeV の電約２倍の質量であり、３つの u, d クォークのみ子ビームを用いた放射光施設である。その中の(uuu, uud, udd, ddd)で構成されるには重いと考LEPS ビームラインでは、8 GeV の電子ビームに向えられる。

けてレーザーを入射し、逆コンプトン散乱にて得

このような重たい励起状態も含め、ハドロンのられた高エネルギー・高偏極光子ビームを用いて内部構造を正しく記述するには構成子クォークを基礎物理の研究が行われている。光子ビームのエ基本粒子とした描像は適当ではなく、それにまとネルギーは 1.5 GeV – 2.4 GeV であったが、最大っている仮想グルーオンやクォーク―反クォーク値を 3 GeV まで上げた。このエネルギーはバリオ対の役割が無視できない、あるいは、より正しくンの質量に換算すると、1.9 GeV – 2.55 GeV であハドロンを記述する新しいクォーク描像が要求さり、重たいバリオンの探索実験に適している。

れると考える。

本実験では直線偏極光子ビームを液体水素標的

そこで、ハドロンのクォーク描像をより正確に（陽子標的）に照射し、γppx (x はπ0、η、η’、理解する上で、重たい励起状態を実験的に解明すω、ρ、φ中間子)反応を測定する。前方に散乱さることは重要である。その内部構造によっては、れた陽子を磁気スペクトロメーターで検出する。

特異な性質を示し、たとえば、ある特定の反応機陽子のエネルギー・運動量と、光子ビームのエネ構で見えやすい、見えにくいと言いったことからルギーより質量欠損を計算し、残りの粒子を特定

その内部構造に関する情報が得られるのではないする。以上の方法で中間子光生成反応を識別して、かと考える。そこで、１つの反応だけでなく、様々微分断面積と空間的非対称度(photon asymmetry)な反応を同じ実験で測定し、それらを比較検討すの測定を行った。

ることでより充実した情報を引き出すことが本研究の狙いである。

このような方法では、観測したい中間子生成反応以外の多重π中間子反応（γppππ、pπππ、本研究では、光子ビームを用いたπ0、η、η’、pππππ）も混じる。そこで、標的周囲にプラスω、ρ、φ中間子生成反応を用い、未だ発見されチックカウンターを設置し、荷電粒子（π＋またはていないバリオンを 2000 MeV 前後の高いエネルギπ―）を検出することで、崩壊粒子に荷電粒子を含ー領域で探索し、ハドロンのクォーク描像のよりむ反応と、中性粒子のみを含む反応とを識別する。

深い理解へと繋げることを目的とする。この目的

この方法でよりバックグラウンドの少ない反応識のために、光子ビームのエネルギーをこれまでの、別を行うことができた。

2.4 GeV から 3,0 GeV にまで引き上げ比較的観測し（２）η中間子光生成反応

やすいπ0 とη中間子生成反応を調べた。さらに、これまでに得られた実験データの解析を行いバ

標的周りに新たにプラスチックシンチレーションリオンの励起状態に関する情報が得られることを確認した。η中間子光生成反応の測定を行い、バ

asymmetry という物理量の測定は、この粒子の特リオン粒子と考えられる構造を 2150MeV に観測し性を知る上で重要である。これは直線偏極光子ビた。その反応微分断面積の結果を Fig.1 に示す。

ームの偏極面に対する生成面の空間的非対称度を表す量である。反応断面積の角度分布と、photonasymmetry から、バリオン共鳴のスピンのみならず、反応機構に関する情報を得ることができる。
この測定はバックグラウンドを極力減らさなければ、正しく得ることができない。η中間子は、その約 3 分の 2 が中性粒子に崩壊するので、標的横軸は全エネルギー（バリオン励起状態の質量にFig. 1. Differential cross sections for η
photoproduction as a function of the totalenergy. Closed plots are data from thepresent study.

（サイズ 4cm x 6.5cm）

を囲むようにプラスチックシンチレーターを置き、荷電粒子が来ないことを条件に実験を行うことで、バックグラウンドを減らし、η中間子を測定することができる。この条件のもと得られたスペクト
ルでは、S/N が向上し、Fig. 2 に示すように、η中間子の photon asymmetry を観測することができた。完全にバックグラウンドを取り除けたわけで当たる）黒い点が本研究の実験結果である。どの角度領域でも、はっきりと膨らみが見られることがわかる。黒線は 2150MeV 近傍に粒子がない時の良く知られた機構のみを考慮した理論計算（SAID）である。この理論計算からもわかるように、このはないので、今後、残ったバックグラウンドによる寄与を考慮し、角度・エネルギー依存性を求める必要があるが、この実験結果からη中間子のphoton asymmetry は符号がプラスで、大きな絶対値を持つことが分かった。

ような大きな膨らみは、共鳴以外の機構で説明するのは難しい。そこに何か新しい粒子（励起状態）が存在すると解釈できる。このバリオン粒子によると考えられる構造は、同時に測定されたπ０中間子、ω中間子、η’中間子生成反応では観測されなかった。η中間子はストレンジ―反ストレンジクォーク対を多く含む最も軽い中間子である。そのη中間子生成反応でのみ良く観測されており（強くカップルする）、他の反応では見えないこと、2150MeV と非常に重たい粒子であることから、u,d構成子クォークのほかに、さらに重たいストレンジ―反ストレンジクォーク対を含む粒子である可能性が高い。このような粒子の存在は、構成子クォークモデルの修正・拡張、又は新しいクォーク描像の発展に大いに役立つと考える。
さ ら に 、 微 分 断 面 積 だ け で な く photon

Fig. 2. Missing mass spectrum of protons(top) and photon asymmetries (bottom). （サイズ 6.5cm x 6.5cm）

（３）π0 中間子光生成反応

最大エネルギーをこれまでの 2.4 GeV から 3 GeVに上げて実験を行った結果、π0 中間子光生成反応であり、このよう粒子が、u, d 構成子クォークのみで説明できるのかが、今後の論点になるであろう。にもバリオン粒子と考えられる構造を 2400 MeV 近

また、2.1 GeV 以上で微分断面積の角度依存をみ傍に観測した。得られた微分断面積を Fig. 3 に示ると、後方ほど大きくなっている、つまり後方ピークを作っていることがわかる。近年、数 GeV のエネルギー領域で、様々な中間子生成反応の実験が世界的に行われ、幾つかの反応で前方ピークが観測されている。これは、ｔ－チャンネルの中間子交換機構の寄与が 2 GeV 以上のエネルギー領域で支配的になるからと考えられている。一方で後方でのデータは少なく、このように明らかに後方ピークが観測されたのは初めてである。u-channelの核子交換機構による寄与が支配的になっている

Fig. 3. Differential cross sections for π0photoproduction as a function of thetotal energy. （サイズ 5cm x 6.5cm）とも考えられる。今後の理論的解明に期待したい。
まとめと展望これまでの研究により中間子光生成反応の実験は、重たいバリオン粒子の探索に有益であることす。これまでの 2.4 GeV までの実験データから、微分断面積が 2.1 GeV まで急激に減少していること、2.1 GeV 以降でその減少が終わっていることが分かっていた。このような非常に強いエネルギー依存性は、これまでの理論では説明できず、その要因が明らかではなかった。さらに、photonasymmetry でもこれまでの理論では説明できない強い角度依存性が観測された。強い角度依存は高スピンの共鳴状態でしか作れないので、高スピンの粒子の存在が示唆されたことになると考えた。
そこで、さらに光子ビームの最大エネルギーを 3GeV に上げて実験を行い、データを得ることでこの未解決の構造に関する新たな情報が得られると考えた。そして、Fig 3 のような構造を発見した。
2.1 GeV までの急激な減少については、まだ分かっていないが、2.1 GeV 以上に観測された構造はバリオン共鳴によるものと考えられる。バリオン共鳴であるとすると、2400 MeV と非常に重たい粒子がわかった。η、π0 中間子光生成反応の微分断面積では膨らみ構造が観測され、これは未だ確立されていない共鳴状態に依るものであると考えられる。また、標的の周りにプラスチックシンチレー
ターを設置したことでバックグラウンドとシグナルの比が改善し photon asymmetry も測定可能であることがわかった。今後解析を進め新しいバリオン共鳴の確立に繋げたい。さらに、他のη’、ω、ρ、φ中間子生成反応につても、同様に解析をすすめ、バリオン共鳴の発見に繋がる成果を挙げた
い。それには、プラスチックシンチレーターたけでなく、粒子識別のできるシリカエアロジェルカ
ウンターやカロリメーターを設置することも考えている。
2000 MeV 近傍のエネルギー領域では、これまでに確立された励起状態がほとんどない。このような重たい励起状態の探索実験をして、新たな励起状態を確立することは、バリオンの内部構造を理解するために非常に重要である。より綿密にバリオンの内部構造を記述する構成子クォークモデルに代わる新しい理論が生まれるかもしれないからである。本研究ではそのことを示せた。今後、実験だけでなく理論研究も進められることを期待する。
研究発表
口頭発表
M. Sumihama, et al., ‘Baryon resonances’,
HIDA workshop, 28-30, November 2009, Takayama,
Japan
M.

Sumihama,

etal.,‘Backward-meson

photoproduction at SPring-8/LEPS’ Baryon’10
7-11, December, 2010, Osaka, Japan
M. Sumihama, et al., ‘Status and plan of LEPS’,
28-1, February, March, 2011, RIKEN, Japan
誌上発表
M. Sumihama, et al., (LEPS Collaboration),
Physical Review C80, 052201(R) (2009).