「J-PARCハドロン物理(*)の将来研究計画を考える」研究会 2008.9.1-2 於 理研

超高強度2次ビームで展開する精密ストレンジネス核分光
野海博之, 大阪大学 核物理研究センター

ストレンジネス(フレーバー）核物理の取り組み
Q： “核力” についてSUF(3)の枠組みで理解できるか
とくに, バリオン間相互作用の短距離部分 の解明
クォーク自由度 の重要性

Q ： “核物質” についての理解はどこまで深まるか
とくに, 高密度核物質 の性質の解明
中性子星はハイペロン星か?

クォーク星、ストレンジクォーク物質は存在するか?

Q : 核媒質中でハドロンの性質はどのように変化するのか
カイラル対称性の（部分的）回復 との関係
クォークの凝縮のなぞにせまれるか1

J-PARCでは、K中間子ビームを用いたS=-2核の研究を錦の御旗にして関連する研究とともに推進K1.8とK1.8BR（K1.1)~107 Hz のKビーム

2

○ストレンジネス核分光実験はビーム強度の計数限界(~107 Hz)を迎えている。

pion: 108~109 Hz
pbar: 107 Hz
更なる増強も期待できる100倍の効率、高統計による高精度、高感度実験（統計精度、分解能の向上）

Intensity (Counts/sec)

この限界を超え、ストレンジネス核分光研究に質的な変化をもたらす（期待）○J-PARCはこの限界を超えるビーム強度を供給できる。
2次ビーム強度50GeV-15μA on Ni-54mm,
BL長：50 m, 立体角:2msr%

1.0E+101.0E+09
1.0E+08
1.0E+07

pi+piK+
Kanti-p

1.0E+06
1.0E+05
1.0E+04
1.0E+030123by Sanford-Wang

45673 8Momentum (GeV/c)

残された課題－１
YN、YA相互作用
9ΛN-ΣN結合の効果（多体効果）

coherent Λ→Σ
w/o exciting N(b)~(d)…
No effect in T=0
中性子過剰ハイパー核構造→ 味村

1/1000の生成率（DCX/NCX)

高効率(＞100倍)、かつ、高分解能（＜1MeV)が求められる。
9Σ核ポテンシャルの詳細
斥力の大きさ？
LSポテンシャルの大きさ？
周辺部の形状？（Σ‐原子軌道）

高効率かつ高分解能が必要。
4残された課題－2
Λハイパー核の弱崩壊機構
非中間子崩壊においてもΔI=1/2規則は成立しているか。
短距離部分の効果：クォーク交換の寄与はあるのか。

→ 味村

9 ハイペロン核子弱相互作用のスピンアイソスピン構造:ΔΙ=1/2 規則が成立すると Γp/Γn (4ΛH)* Γp/Γn(4ΛHe)=2Γp/Γn(5ΛHe)
N NNNπ=Λ NΛNN
Κ+NΛNNΗΜ+ΛNNqqN+NΛ

N

9 π+ 弱崩壊: ΔΙ=3/2振幅に敏感, クォーク過程が関与 (Oka et al.)nn π+np:Λ pπ−n~ 1:4

Λ nSoft pion emission Weak Decaynπ0

Λ pπ+nnπ+π+ Σ+norpΛ

5small? for S-wave, soft π+ emission野心的、挑戦的な課題－1
9Λハイパー核の電磁気能率測定
z 核媒質の変化：芯偏極
z 交換電流 (媒質中でのバリオン間相互作用)
K-ex., ΛΣ coupling effect (Isospin≠0)z 核媒質中でのハドロンの変化
これらの効果をみるには数％の精密測定が必要か？
S. Takeuchi et al., NPA481, 639(1988)usds⎯u uud

K. Saito et al., NPA625, 95-106(1997)

間接的測定 B(M1), H. Tamura et al.
直接的測定→ 野海6野心的、挑戦的な課題－2
9 チャームド核sc⎯KD⇒Λ⎯KN, Λ(1405)s ⎯usudΛc
DN, Λc(2595)
c ⎯uu cdcを核媒質中に入れたらどうなるか？
どうやって作り、どうやって同定するか。
→ 常見、野海7

Momentum Matching Beam line and Spectrometer System
Beam Envelope
50cm

D Q Q D1 1 2 2IFO
1

SQ Q
25 6CM
1CM
2

D Q Q QDD D

Dispersive beam
Q Q

Q

Q QS DD D D D D
1 15 66 6 6 6 6
2 3 12 3 4 5 6

3 7 7 8 44 4 9 1 1
MS1
12 30 1VF
1IF
2

VerticalCOLQ QS
3 41

QQDQD
Spectrometer

SQ Q Q Q Q Q Q
51 1 1 1 1 1 14 5 66 7 8 9ABDSP

Q Q Q
2 2 20 1 2Q SQ
1 X2S 1S
S

D1SM
PS

D2S

~12m

T
A
R
G

FCIOC
POF1M
L 1

A23
ES1

Horizontal

0m

50cm

75m

14.
55 84 .
25919.
- 49 0. 62
32First Order/ to be improved
8 90. ..
2 270 06
0 01

SEP
1-27 8.. .
13 320 011 016.
26 5 7 70 . . .
0 7 60 6 80 8 411 199 9.. .
00 066 622 27.
8489.
0259.
662

11 1 1 1 1
99 9 9 9 9.. . . . .
1 - 00 0 0 0 0
3 40 99 9 9 9 9. .. 66 6 6 6 63 96
0 79
0 211
101 8 0 0 1.. . . . .
82 4 0 0 1
58 6 0 0 0
07 8 0 0 4

1 10 1. .
4 1
1 0
5 411.
1
041 10 1. .
4 1
1 0
5 4

1
3 07. ..
8 04
4 02
0 00

20.
9581.
8
6820.
9588

Extension of Hadron Hall
100 m

56 m

T2
Hall Extension

9

コメント1Λハイパー核の電磁気能率測定

10Electromagnetic Property of Hypernucleus...provides
more detail/direct information on the dynamics of hadrons in nuclear medium.
The magnetic moment, μ, is described as

μ = 〈ψ*(m=J)|Μz|ψ(m=J) 〉
Μ = ∫ r×j(r)drj : represents the current distribution (of constituents) in the nucleus

Μ : magnetic dipole operator, Μ (M1)
Naive Picture: single-particle orbital motion + Intrinsic spin

Μ (M1) ~ ∑iA (gℓi ℓi + gsi si )i.e. Schmidt valueCorrection:z medium modification by implication of Y
core polarizationz exchange current (BB interaction in medium)ΛΣ coupling effect (Isospin≠0)z hadron modification in mediumΝ Λ ΝΣΝΛ Ν11

Approach to the Λ hypernuclear Magnetic Moment:
9 Indirect measurement → τ, B(M1)proposed by H. Tamura (Tohoku) et al.
z Doppler Shift Attenuation Method:
B(M1)~|<f|μz|i>|2~(gC-gΛ)2

K. Tanida et al. PRL86, 1982(2001)

c.f. τ-1~B(E2)~3.6+-0.5+0.5-0.4 [e2fm4]→ Q-moment~<R4>

z γ-Weak Coincidence Method:

9 Direct measurement

12Approach to the Λ hypernuclear Magnetic Moment:
9 Direct measurement : precession in Strong Magnetic Field
Independent measurement of B(M1)detail analysis w/ precise calculationz Relativistic HF:
M. Asakawa et al. KEK Rep. 2000-11, J-PARC
T. Saito et al, GSI/FAIR

The precession angle
can be enhanced by γ(Lorentz Boost) factor.
Promising way, if significant polarization of HF is proofed.

Bμz “pionic-decay NMR” from Polarized Hypernuclei:
Polarization of Hypernuclei
Asymmetric weak decay pion:W(θ)=1 + ∑kakPΛPk(θ )(ak~small for Nonmesonic WD-proton)

H. Ejiri, T. Kishimoto, and HN,
PLB225, 35(1989)PΛ ~ 0.2 in (π+,K+) at 15 deg.

Strong Magnetic Field for precession is needed

for medium nuclei

13

Hypernuclear Polarization:
Λ Pol. in (π+,K+) and (K-,π-)Large Polarization is produced
via the (π+,K+) reaction
Measured Pol. of 5ΛHe
produced via (π+,K+) on 6Li
W(θ)=1 + αPΛ cosθ , α=-0.642(13)KEK-PS E278
S. Ajimura, PRL84, 4052(2000)
KEK-PS E462T. Maruta, KEK Rep.2006-1

blue:E278
red:E462
Phase Shift Analysis byK. Itonaga, T. Motoba, and M. Sotona
PTPsuppl.117, 17(1994)

KEK Rep.2006-1
14直接測定：時間積分摂動角相関法
5 Heの場合(g~1.2)
Λdσ/dΩ~3 μb/sr, PΛ＝0.8 at 15 deg. at pπ=1.2~1.4 GeV/c
Bext =10 T (<Bt>~2500 T ps) : Φ~8°
ΩK~0.01 sr

εK~0.7*0.2

Ωdecay-π~0.2 (att.f~0.8)

109 Hz のビームで90シフト走って、Δg~3%なのだけれど、、、
decay-π-の強磁場による巻きつき問題のうまい解決方法がみつからない
0.1 GeV/c π- : 10T の磁場中での軌道半径はわずか3.3cm！
○コンパクトな標的領域に強磁場を発生できるか→究極の方法が原子レベルの強磁場（内部磁場）の利用
強磁性体に埋め込まれた原子の偏極が不明→Transient Fieldの利用~psオーダーの遷移（E2遷移など)の測定（<Bt>はあまり得しない。）○π0を測定する。
→イールドは半分に（精度は1.4倍悪化）。でも、意外と現実的かも。

15

コメント２チャームド核の生成

16

17

[54] P. Knoll et al, NPB316, 373(1989)[55] A. B. Kaidalov et al, ZPC63, 517(1994)
18

AZ(pbar,D−π+)A-1
Λc+Zpbarp

精々, dσ/dΩ~0.05pb のオーダーか？

7 GeV/c

107*6.0x10+23*0.5*10-36=3x10-6 HzD− （⎯D0）

107 sec (350 shifts)で3個！

4.5 GeV/c~10nb

D+（D0) 2.5 GeV/c
D− （⎯D0）

λ ~ (ρσ)-1 ~70 fm
ρ ~ 0.14 fm-3
σ~ 1 mb = 0.1 fm21-Exp(-r/λ)~0.05

D+（D0)p(n)”sticking Prob.”<0.001 at qΛc~0.6 GeV/ccf σ(K-p→Λπ−)~4 mb/sr at 2 GeV/c

D− （⎯D0）

br(D-→K+π−π−)~9%br(⎯D0→K+π−)~3%Λc+π+19

A.B.Kaidalov, P.E. Volkovitsky, Z. Phys. C63, 517(1994)20

AZ(pbar,Λ −d) A-1
Λc+Zcpbar
p精々,dσ/dΩ~0.2pbのオーダーか？

15 GeV/c107*6.0x10+23*0.2*10-36=1x10-6 Hz

Λc−

106 sec (35 shifts)で1個！

11.5 GeV/c~100nb

Λc+ 3.1 GeV/cΛc−

λ ~ (ρσ)-1 ~70 fm

Λc+ρ ~ 0.14 fm-3
σ~ 0.1 mb = 0.01 fm2
1-Exp(-r/λ)~0.005”sticking Prob.”
0.01? at qΛc~0.2 GeV/cd
Λc−br(Λc-→⎯pK-π+)~5%

Λc+d2.9 GeV/c

21

⎯KNのアナロジーでDNの強い引力！？
hep-ph arXiv:
0803.3752v1
J. Haidenbauer et al.
22Λ(1520), 3/2−
Σ∗(1385), 3/2+

Λ(1405), 1/2−

⎯KN(1432)

DN(2810)-27 MeVΛc(2625), 3/2−Σ(1192), 1/2+-215 MeV

Λ(1116), 1/2+Σc(2520), 3/2+Λc(2595), 1/2−

Σc(2455), 1/2+
Λc(2285), 1/2+Λ(1405)?

VK~mK?

rr
Λc(2595)?

DlpeeyDdnubosyNS??
?
tem

VD~mD ?
23

AZ(pbar,D−p)A-1 ZD+pbarp

精々, dσ/dΩ~0.3pb のオーダーか？

7 GeV/c

107*6.0x10+23*0.3*10-36=2x10-6 Hz
D− （⎯D0）

106 sec (35 shifts)で2個！

4.5 GeV/c~10nbD+ （⎯D0）

2.5 GeV/c
D− （⎯D0）

D+ （⎯D0）
λ ~ (ρσ)-1 ~70 fmρ ~ 0.14 fm-3
σ~ 1 mb = 0.1 fm2
p1-Exp(-r/λ)~0.05, r=3fm
D− （⎯D0）”sticking Prob.”
0.006? at qD~0.3 GeV/c

br(D-→K+π−π−)~9%br(⎯D0→K+π−)~3%

D+ （⎯D0）p

2.2 GeV/c

24

TOY Model 計算（PWIA）
1.40E-02

123VD(MeV)-250∫ S(E)~0.006

1.00E-02

6.00E-03

00p-state(not obs.)

1.20E-02

8.00E-03r(fm)d(D+,p)Λc+(2595)

D+n s-state

-500
-750
-1000-1250

4.00E-03-1500

2.00E-03
0.00E+00
-300

-1750
-2000

-200

-1000100200-BD (MeV)

10nb*0.05*0.006*br(D→Kππ：9%)~0.3pb
25

D核の崩壊と同定

D

Full Width= 3.6 MeV！
Λc+(2595) → Σc++ π−→ Σc0 π+Λc+ π−π+ (67%)
pπ = 24 MeV/c

26高運動量大強度反陽子弁別ビームライン 欲しいビームラインのスペック：
強度：108Hz、アクセプタンス：20 msr%
運動量：~7GeV/c(15GeV/c)
Dispersive at TGT(ビームの運動量分析必要）
大強度高分解能πビームラインは最初のステップになる。
Kビームの利用にも応用可能（Ξ核, ΛΛ核の量産化へ）
長さ：100~200m？ （反陽子純度のためには長いほうが有利） どうやって反陽子ビームの純度を上げるか。
RFセパレータ？
TOF（w/ バンチドビーム）？

もっとハドロンホールの拡張が必要！
27