2020 Fiscal Year Annual Research Report
Electron-proton scattering using the lowest-ever energy beam for precise determination of proton charge radius.
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20H05635
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
須田 利美 東北大学, 電子光理学研究センター, 教授 (30202138)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
前田 幸重 宮崎大学, 工学部, 准教授 (50452743)
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| Project Period (FY) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| Keywords | 電子散乱 / 陽子電荷半径 / 低運動量移行 / 電荷形状因子 / Rosenbluth 分離 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
陽子電荷半径の精密決定のため、史上最低エネルギー（ 20-60 MeV）での電子・陽子弾性散乱断面積を広い散乱角度で高精度（10^-3) で測定する必要がある。この測定のため、加速器からの電子ビーム輸送系の高度化をおこなった。各種パラメータが不正確な既存の古い四重極電磁石を設計し直し、本実験に必要な電子ビーム供給を可能にする輸送系を建設した。また測定の長期安定性を担保し高品質な測定データ収集のため、安定性に問題のあった数多くの直流電源を高安定度な電源に置き換えた。同時にそれらビーム輸送系の制御系も更新し、また高真空度を安定に維持するためポンプやゲートバルブ等の真空系の更新もおこなった。直線加速器から供給される比較的運動量広がりの大きな電子ビームを高品質化（ビーム広がり 10^-3以下）するため、ビーム偏向部に耐熱性の優れたビームスリットも設置した。
これら一連の作業により、本研究遂行に要求されていた電子ビームエネルギー、 20 - 50 MeV、で、運動量広がりが 10^-3 以下、標的上でのビーム広がりが 1 mm 以下の電子ビームが得られることを確認した。室内のビーム起源のバックグラウンドを抑えるため、シミュレーション結果に基づきビームダンプ（ビームストッパー）を設計、ビーム輸送系の最下流にシールドとともに設置した。また既存のスペクトロメータ１台目の焦点面検出機を室内のバックグランド（主としてガンマ線と中性子）から遮蔽するための、鉛シールドを設置し、測定上問題となるバックグランドの本格的な調査をおこなった。その結果、想定より約一桁バックグランド量が多いことが判明し、その対策を継続した。
また電磁石スペクトロメータ系の性能評価を弾性散乱事象を利用しておこなった。その結果、焦点面位置の設計値からのずれが判明し、補正方法を確立、測定を継続した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前述のように当初の想定を約一桁上回る室内バックグランドが測定系で確認されたが、一部研究費を繰越て詳細な測定並びに対策を実施した。対策のため更なる放射線シールドを設計・建設・設置した。この結果、目的である散乱確率の小さい電子・陽子弾性散乱事象が問題なく観測できる状態になった。その後、電子ビームの高品質化を行い、電磁石スペクトロメータの詳細な性能評価をかねてさまざまな運動学条件下で電子・陽子（および電子・炭素原子核）散乱事象を要求される精度で測定することができた。電磁石スペクトロメータについては、焦点面位置が設計値に対し数mmずれていることが明らかになったが、その他のスペクトロメータの運動量分散や倍率はほぼ予定通りであることを、測定データにより確認することができた。
繰越期間も含めて、当初予定していた計画は全て実施し本測定に必要な電子ビーム品質を確保、また測定系の理解を進めることができた。
したがって、現在までの進捗状況としては「おおむね順調に進展している」を選択した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究で、電子・陽子弾性散乱断面積の精密測定に必要な高品質な電子ビーム、弾性散乱電子測定用の電磁石スペクトロメータ（１台目）の性能確認が終了し、本格的な測定に入る準備が整いつつある。今後は、１）高真空直結のまま標的を回転中心としてスペクトロメータの散乱角度を自由に変更できる特別な散乱真空槽の建設と設置、２）電子・陽子弾性散乱断面積の絶対値測定に必要な２台目のスペクトロメータの建設と設置、を進める。
それらが完成次第、電子ビームエネルギ、20-60 MeV、の元での広い散乱角度（３０－１６０°）を覆った測定から、Rosenbluth 分離により弾性散乱断面積から電荷形状因子を分離決定し、その運動量移行依存性から陽子電荷半径を決定する予定である。
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