実験紹介（J-PARC E16）
~大学院進学を希望する方へ~小沢

恭一郎(KEK/J-PARC/東大/筑波大)小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2020/09/25

2素粒子の世界ü クォークや電子は、もともとは質量を持たない
ü Higgs機構により質量が与えられる
原子核・原子の世界

ü 原子の質量は、ほぼ原子核の質量
ü 原子核の質量は、陽子・中性子の（質量×個数）－ 束縛エネルギー小沢

恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2020/09/25

3

陽子の中には、クォークが３つクォークの質量：Higgs機構によって数MeV/c2程度

陽子の質量：940MeV/c2程度

クォークの質量を３倍しても、陽子の質量には足りない！！
小沢

恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2020/09/25

4質量というのは、真空（基底状態）からの励起エネルギーのようなものだ
粒子の周りの環境（真空）の方が変化しているのでは？

自発的にPotentialが変化

南部陽一郎 先生

小沢

相互作用のPotentialと真空（基底状態）

恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

基底状態の位置 が変化

この差ΔEが追加の質量に！

2020/09/25

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南部先生の理論は正しそうだ！
いろいろな現象が説明できる
Lattice QCDでも確かめられた

自発的なPotentialの変化を生み出しているのは、周囲の空間に『凝縮』したクォーク対⇒ 温度や密度で変わるのでは？

質量の変化を実験で確かめたい！
変化度の『ものさし』の目盛を実験的に決める
特に、密度をもつ状態の理論的計算は難しい

小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2020/09/25

6電子：
エネルギー E1, 運動量 p1
陽電子：
エネルギー E2, 運動量 p2
自由空間の質量中間子の崩壊で生じる電子・陽電子対の不変質量分布を測定
M2c4 = (E1 + E2)2 – |p1c+p2c|2

変化した質量

高強度ビームラインと大型スペクトロメータを建設！
期待される不変質量分布2020/07/107原子核中にベクター中間子を生成し、その崩壊を測定する
ベクター中間子を原子核中に生成するビーム
ハドロン実験施設での１回の取り出し（2s）あたり、1010 個のビームが必要
現在のビームラインは、最大でも107個新たなビームラインの建設が必要（世界最高強度）
ベクター中間子の崩壊を測定する検出器群崩壊で生じた電子・陽電子の情報からベクター中間子の質量を再構成
運動量測定のための大型磁石と飛跡検出器
電子・陽電子を他の粒子から識別する検出器
世界最高レベルの高計数率・高精度測定小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2020/09/25

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新ビームライン完成！
実験開始！！
2020/07/10

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新設一次ビームライン（Ｂライン）

ハドロンホール南側
実験スペクトロメータ
建設位置小沢

恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2020/09/25

10

https://www.youtube.com/watch?v=MSNYGjcif9U&t=30s

小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2020/09/25

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beamdump

FM magnet

B lineC line小沢

恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2019.09.18

ハドロン実験
ホール南側

2020/09/25

12電子と陽電子は、チェレンコフ光検出器と電磁シャワー検出器で他の粒子から識別される

電子と陽電子は磁場で曲げられ、検出器中を進む検出器で磁場中の飛跡（位置）を測定する
曲がり量が運動量に逆比例
中間子が電子と電子対に崩壊中心の原子核標的で中間子が生成
小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

陽子ビームが実験装置に入射

2020/09/25

13東大原子核研究所でサイクロトロン加速器として使用
KEKで前身の実験に使用

陽子ビーム

金属磁性体コアの試作にも使用された

高さ5m

磁極部分を改造して立体角の大きな検出器を置けるようにした小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

大開口の磁場中に検出器を設置

中心に標的を設置

2020/09/2514磁場中に、半導体検出器（SSD）、GEM 飛跡検出器３台を設置
４か所で位置を測定することで、磁場中での粒子の軌跡を再構成し、その曲率から運動量を求める

GEM飛跡検出器

小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

半導体検出器2020/09/25

15m
120 m61 mm§ 現状§ Existing 6 SSDs used for another J-PARC

experiment.

§ ATLAS sensor§ Sensitive area: 61 mm x 62mm
§ Strip pitch 80 um. (1D)§ Timing Resolution 4ns§ The readout ASIC is APV-25§ 2021年度にアップグレード予定§ FAIR-CBMで開発された検出器を導入§ CBM developed sensor (Hamamatsu)§ Sensitive area: 60 mm x 60 mm

ASIC chips62 mm§ Strip pitch 50um (Double sides)§ Almost no frame§ The readout ASIC is a CBM special chip
小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

Micro strip Cable
2020/09/25

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GEM 飛跡検出器§ ガス検出器の一種で、放射線が通過することでガス中の電子が電離し、その電子を
Gas Electron Multiplier (GEM)と呼ばれる細かい穴（直径50μm程度）が多数空いた（穴間距離140μm）フォイルを使って増幅し、電子信号を得る

Mesh electrode
Drift Gap
GEMGEM§ 増幅された電子は、2D strip readoutで読みGEM出される§ X: 350um pitch§ Sensitive to bending direction.

3 mmreadout§ 100 um resolution required.

§ Y: 1400um pitch§ Trigger signal is generated from the bottomside of the last GEM foil

§ A new ASIC is developed for a trigger signal

as a Open-IT project

小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2020/09/25

17電子・陽電子を他の粒子（主にπ中間子）から識別する検出器が必要

ガスチェレンコフ検出器（Hadron Blind Detector, HBD）
ガス中を電子が通過することで発生するチェレンコフ光を捉える
電磁シャワー

鉛ガラス検出器
電子が電磁シャワーを起こすことを利用して識別する小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

電子
チェレンコフ光

2020/09/25

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HADRON BLIND DETECTOR
300x300mm2 GEM with CsI
500 mm電子

Gas Volume

小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2020/09/25

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ü TRISTAN-TOPAZの再利用
ü ~300 at the 1st stage.
ü ~1000 in total
ü π中間子除去率
ü ビームテストによる評価
ü ~25 offline (energy dep. th.)ü ~10 online (fixed th.)

小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2020/09/25

20

小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2020/09/25

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.2]

A realistic
estimation is done with a simulation based on R&D results
h_phibkg_bg_wr
h_phibkg_bg_wr

Entries
Mean
RMS[counts]

Underflow
Overflow
Integral

100

105
0.993
0.07685001470

Yield estimation

Condition

TargetNf

RUN 1

160 shifts
8 modules

Cu

18100
(1900)

RUN 2

320 shiftsCu
26 modules

76000(13700)

KEK-PS

Cubg < 1.25

80

6040

2000.85

0.9

0.95

11.05

1.1

1.15 1.2[GeV/c2]

Expected Spectrum with a
combinatorial background(Simulation for Nf ~ 1000, Run1 )小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

2400
(460)

• Numbers in parenthesis are for bg <1.25

We started data acquisition!!
2020/09/25

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1月に収集予定のデータの解析
実機の性能評価 → NIM論文
パイロットランの物理データ解析
このエネルギー領域での電子対測定は世界初
半導体検出器（SSD）
増加したビーム環境において分解能を向上
高精度・高速性
ストリップピッチ58μm, 時間分解能5ns
ドイツGSI・FAIR加速器CBM実験用に開発
電子同定検出器の拡充
実験室系後方の2ブロックを増設
ガスチェレンコフカウンター
鉛ガラス電磁シャワー検出器
原子核中で崩壊する確率の高い遅いf中間子からの大きい開き角の電子・陽電子を捉える
小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

ガスチェレンコフ検出器の動作成功（2020.6のパイロットデータ）
2020/09/25

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KEK-PS の先行実験で得た統計の30倍、73000個のf中間子崩壊事象を収集
J-PARC ハドロン実験施設の一次陽子ビームラインの強度増強
電子・陽電子対スペクトロメータの強化
一次陽子ビームの強度増強

ビームロスの無い高品質ビームを実現
電子・陽電子対スペクトロメータの強化
増強ビームに対応するための半導体検出器
アクセプタンスの増加
原子核内での崩壊事象の収量増加
密度 [a.u.]

標的の変更

銅

銅から鉛へ
鉛

原子核の密度分布 半径[fm]小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

鉛原子核は、銅に比較して、高密度部が約２倍（体積で８倍）世界で初めて質量差を明確に測定する
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中間子の質量が、本当に環境によって変化するのか？
変化するとしたら、定量的に、それはどのくらいなのか？
を測定するために、新規ビームラインと検出器群を建設した。
今、まさに実験が始まろうとしている。

この10年に１度のチャンスを生かして欲しい！

小沢恭一郎, J-PARC/KEK/東大/筑波大

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