鉄核媒質中の閾値近傍における 中性 π 中間子生成実験
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鉄核媒質中の閾値近傍における 中性 π 中間子生成実験. クォーク物理学研究室 坂田博和. 研究目的. 中性 π 中間子の閾値近傍 (≒135MeV) における生成断面積測定 π 0 の生成閾値近傍における生成過程は完全に理解されていない。 核媒質中で生成された π 0 の質量測定 核媒質中のように周囲の密度が高い環境下で π 0 を生成し,カイラル対称性の部分的回復による質量変化の観測 。. 中性 π 中間子 ( 略して π 0 ) 電荷 : 0 質量 : 135 MeV/ c 2 寿命 : 8.7×10 -17 秒. A. π 0. π 0. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
研究目的中性 π 中間子の閾値近傍 ( 135MeV)≒ における生成断面積測定
π0 の生成閾値近傍における生成過程は完全に理解されていない。• 核媒質中で生成された π0 の質量測定
• 核媒質中のように周囲の密度が高い環境下でπ0 を生成し,カイラル対称性の部分的回復による質量変化の観測。 中性 π 中間子 ( 略して π0)
電荷 : 0質量 : 135 MeV/c2
寿命 : 8.7×10-17 秒
測定原理
150MeV 電子線を標的に入射し π0 を生成 e- + A → e- + A + π0
崩壊光子のエネルギーを測定し、 π0 イベントを検出π0 は寿命 8.7×10-17 秒で約 99% で 2γ へ崩壊π0 はほぼ静止しているため、正反対方向へ約
67.5MeV の 2γ を放出
Ae-π0 π0
γ
γ150MeV 電子線を入射 π0 が生成 π0 が2 γ に崩壊
背景
昨年度、広島大学 VBL 内にある超高速電子周回装置の150MeV 電子引出しラインに於いて π0 生成実験を行った。
結果、 150MeV 電子線と核子の間において σ(e-, N)=0.07±0.04μb が得られた。 課題
統計量不足 バックグラウンドイベントをシミュレーションより見積もり
電子ビーム
標的 ( 黒鉛 ) 電磁カロリーメーター
1 アーム3×3 配置 9 本組み電磁カロリーメーター
本実験の改良点 3×3 9 本組み 4 アーム
統計量 2 倍 バックグラウンド測定
標的に 1×1×2cm の鉄 統計量 6 倍
変更
バックグラウンドの見積もり約 12 倍の統計量
標的(黒鉛)
標的(鉄)
実験方法
コリメーターで 8mm にビームを絞る 電子ビームがシンチ 1,2,3 を通過したことを要求
ビーム出射口
800mm
8mm コリメーターシンチ 1
シンチ 2,3
鉛ブロック
シンチ 4
暗箱
鉄標的へ約 1.3kHz の頻度で 1.3×105 秒間照射した
電子ビーム
データ検証欲しいイベント
π0 生成イベントπ0 バックグラウンドイベント
π0 が生成したイベントは 2 アームのみヒット
二つのアームにだけヒット したイベントが解析対象 上と下、右と左 上と右、右と下、下と左、左と上 計6通り
上右
下左
イベント選択ビーム出射口 シンチ 1
シンチ 2, 3
シンチ 4
飛行時間分布(シンチ3を基準)横軸:粒子の飛行時間縦軸:イベント数シンチ1 シンチ2
シンチ3 シンチ4
シンチ1 シンチ2
シンチ3 シンチ4
π0 イベント数
以上より
となり π0 は検出されなかったと考えられる
組み合わせ イベント数 π0(like) イベント上 と 下 522 1
右 と 左 1171 2
上 と 右 1197 0
右 と 下 2177 3
下 と 左 1473 13
左 と 上 811 0
056581616933
1693 イベント中3 イベント
5658 イベント中16 イベント
π0 生成断面積の上限値入射電子線のフラックス F = (1.329±0.139) ×103 cm-2s-1
標的中の核子数 N = 9.44×1024 cm-2
検出効率 eff = 3.55 % ( シミュレーションより )
全測定時間 t = 1.304 ×105 s
b0.0040.04344.2)N,e(
FeffNt
検出された事象数が 0 の時、 期待される事象数の真値は 90% の信頼性で 2.44 以下
(信頼性 90% )
結論 4アーム電磁カロリーメーターにより、 π0 に対するバックグラウンドの見積もりが可能となった。 150MeV 電子線と鉄標的の反応において、電子と核子の間における π0 の生成断面積の上限値
0.043±0.004μb (信頼性 90% )を得た。
π0 イベント数
以上より
より、 π0 生成断面積 0.034±0.025μb
組み合わせ イベント数 π0(like) イベント上 と 下 522 1
右 と 左 1171 2
上 と 右 1197 0
右 と 下 2177 3
下 と 左 1473 13
左 と 上 811 0
22008
011712
1171 イベント中2 イベント
2008 イベント中0 イベント
PWO 短い放射長と Moliere 半径
結晶 密度[g/cm3]
放射長 [cm]
Moliere 半径 [cm]
崩壊時間[ns]
光量[NaI 比
]PWO 8.28 0.89 2.2 5 ~ 15 0.01
BGO 7.13 1.12 2.4 300 0.15
NaI(Tl) 3.67 2.59 4.5 250 1.00
CsI(Tl) 4.53 1.85 3.8 565 0.40
組成式 : PbWO4
高細分化可能な電磁カロリーメータ !! 20cm20cm
PWOPWO
本研究の目的 核媒質中のように周囲の密度が高い環境下で中性 π 中間子を生成し,カイラル対称性の部分的回復を議論 核媒質中で生成された中性 π 中間子の質量測定 150MeV 電子線を黒鉛標的に入射
核媒質中で静止した中性 π 中間子を生成
崩壊光子のエネルギーを測り不変質量を得る. 150MeV 電子線ではどの程度の中間子が生成されるか測定
Ae-π0A + π0
γ
γ150MeV電子線を入射 中性 π中間子が生成される 中性 π中間子が2 γに崩壊
セットアップ構成を決める標的を決める
π0 からの 2γ の生成過程(予測)① 電子 (150MeV) の制動放射より 145MeV 以上の γ 生成
② p + γ(>145MeV) → Δ+
③ Δ+ → p + π0
④π0 → 2γ
上記の過程の断面積を予測できる範囲で物質ごとに調べる• 制動放射をする断面積• 制動放射によって 145MeV 以上の γ を出す確率• 145MeV 以上の γ が標的中で反応する確率• π0 からの 2γ が標的より飛び出せる確率 次ページより、これらを順に調べていく
~ 8/5
セットアップ構成を決める ~標的を決める~制動放射をする断面積
炭素において 0.1~ 149.9MeV の制動放射をする断面積7.1×10-20cm2 より、入射してすぐ (1.3×10-4cm) で反応。
※ 1~ 149MeV の制動放射をする全断面積でも 4.9×10-20cm2 ⇒軽い炭素でも即座に制動放射するため、標的選びには考慮しない。制動放射で 145MeV 以上の γ が出る確率
物質によらずほぼ 0.34% の確率で生成する。• 条件 0.1~ 149.9MeV の制動放射を対象とする 標的に入射して一回目の制動放射だけを対象とする。 ⇒ 物質の種類には殆どよらないため、標的選びには考慮しない
※ここでは、完全にスクリーニングされた場合の制動放射を考えている
145MeV 以上の γ が標的中で反応する確率 標的中を 2cm 飛んで反応する γ( 約 150MeV) の割合を調べる
• 光の物質中を通過した後の強度は λ: absorption length(g/cm2) t : thickness (in mass/unit area) を使うことにより求めた
セットアップ構成を決める ~標的を決める~
2cm
標的
ビーム
x
x
)/exp(0 tII
物質 密度[g/cm3]
thickness[g/cm2]
absorption length for 150MeV [cm]※
強度[I / I0]
反応率[1 - I / I0]
C 2.27 4.54 65 0.93 0.07
Si 2.33 4.66 32 0.86 0.14
Fe 7.87 15.74 21 0.47 0.53
Sn 9.31 18.62 12 0.30 0.70
Pb 11.35 22.7 10 0.10 0.90
※ここでの Absorption length は Particle data book に記載されているものを用いている
π0 からの 2γ が標的より飛び出せる確率 標的の中心で反応が起こり、最短経路を通過した場合に
2γ が飛び出せる確率を、標的の大きさ x に対して調べる。ここでも同様に より計算した。 2γ が同時に飛び出せる確率は となる。
セットアップ構成を決める ~標的を決める~
2cm
標的
ビーム
x
x
)/exp(0 tII )/2exp(0 tII
2γ が同時に標的を飛び出せる確率
x[cm]
x
セットアップ構成を決める ~標的を決める~よって、 Particle Data Book に Absorption length が載っていた「 C, Si, Fe, Sn, Pb 」の 5 つの物質に対して、
を調べた。(下図)145MeV 以上の γ が標的中で反応する確率 × π0 からの 2γ が標的より飛び出せる確率
2cm
標的
ビーム
x
x
よって、 REFER のビームの状態にもよるが、おそらく
最適な標的は 最適な標的は Sn or FeSn or Fe と考えられる!
スコア
各条件に対しての予想される π0 イベント数平下実験より
物質 ビーム軸方向の長さ [cm]反応領域[cm2]
スコア スコア × 反応領域 π0 検出数[個 /28h]
C 2 2×1 0.068 0.14 6
物質 ビーム軸方向の長さ [cm]反応領域[cm2]
スコア スコア ×反応領域 π0 生成数[個 /28h]
C 2 1×1 0.068 0.068 3
C 2 2×2 0.066 0.26 11
Sn 2 0.5×0.5 0.54 0.14 6
Sn 2 1×1 0.41 0.41 18
Sn 2 2×2 0.25 1.0 43
Pb 2 0.5×0.5 0.54 0.14 6
Pb 2 1×1 0.32 0.32 14
Pb 2 2×2 0.11 0.44 19
これをもとに、ビームはエリアによらず均一として、同じセットアップで標的を変えた場合に予想される π0 検出数を調べると
電子線のフラックス: 1.5×103 cm-2 sec-1
予想される一週間 (28h) での π0 検出数 [個]
x[cm]
予想される一週間 (28h) での π0 検出数 (2arms detector)
[個]
x[cm]
各条件に対しての予想される π0 イベント数
予想される一週間 (28h) での π0 検出数 (4arms detector)[個
]
x[cm]