核子(中性子および陽子)のスピン構造の研究

• 研究課題/領域番号: 05044046
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 堀川 直顕 名古屋大学, 理学部, 助教授 (70022697)
• 研究分担者: SAVIN I. DUBNA, JINR研究所, 教授 ; NIINIKOSKI T ヨーロッパ原子核研究所, 研究員 ; IGO G.J. カリフォルニア大学, 物理学科, 教授 ; HUGHES V.W. エール大学, 物理学科, 教授 ; 沢田 昭二 名古屋大学, 理学部, 教授 (50022546) ; 安野 愈 名古屋大学, 理学部, 教授 (30022544) ; 石元 茂 高エネルギー物理学研究所, 助手 (50141974) ; 松田 達郎 宮崎大学, 工学部, 助手 (20253817) ; 長谷川 武夫 宮崎大学, 工学部, 教授 (70025386) ; 森 邦和 名古屋大学, 医療技術短期大学部, 教授 (70022663) ; 岩田 高広 名古屋大学, 理学部, 助手 (70211761) ; IGO George California University, Professor ; HUGHES Vernon Yale University, Professor ; IGO G. UCLA, 物理学科, 教授 ; TRENTALANGE エス. UCLA, 物理学科, 助手
• 研究期間 (年度): 1993 – 1994
• 研究課題ステータス: 完了 (1994年度)
• 配分額: 20,000千円 (直接経費: 20,000千円); 1994年度: 10,000千円 (直接経費: 10,000千円); 1993年度: 10,000千円 (直接経費: 10,000千円)
• キーワード: スピン / 核子スピン / クォークスピン / スピン偏極標的 / スピン偏極ミューオンビーム / Ellis-Jaffe和則 / Bjorken和則 / スピン危機 / 偏極標的 / 偏極核子 / 核子構造

研究概要

「スピン危機」を解明すべく私たちSMCグループは、一連の実験を遂行している。平成4年には重陽子、平成5年は陽子標的で実験を行い貴重なデータを発表した。本年(平成6年)は再び重陽子での測定を終え、現在解析が進んでいる。
[平成5年の実験]
核子内クォークのスピン情報を得るために、入射粒子スピンと標的核子スピンの向きが平行と反平行の場合の散乱を以下に記す装置と条件のもとで行った。
偏極ミューオンビームはSPS加速器でつくられる。SMCはμ^+を使いその偏極度はμ^+→e^+ν_eν_μの崩壊で生ずる陽電子のエネルギースペクトルを測定して決定した。
スピン偏極標的にはDynamic Nuclear Polarizationの方法を使う。試料はブタノールの水素原子を陽子標的とし、これを重水素で置換したものを重陽子標的とした。これらを1mmφ程の小球に凍らせ、5cmφ、長さ65cmのケースに詰めた。これを2本用意して20cm離して同じ冷却器内にセットし、マイクロ波で互いに逆向きに偏極させた。測定領域でxの小さい方へEMCの場合より1桁下げ、統計誤差も改善した。平成6年度もこの装置で再び重陽子を偏極させ、平成4年のデータに比してさらに統計精度のよいデータを収集した。これについては現在解析中である。
偏極標的に関して平成4年の測定中に偏極度を上げる画期的方法を発見した。すなわち、重陽子化ブタノールは平均25%位の偏極度しか与えなかったが、照射マイクロ波に周波数変調をかけることにより偏極度を45%近くまで増加させることに成功した。陽子標的実験でもこの方法を使った。陽子はもともと80%程の偏極度を出しているためその効果は重陽子ほど顕著ではなかったが、数%の増加は得ることができた。
スペクトロメーター系はEMCの装置を基礎に、幾多の改善をしたものを使った。
[測定結果]
表1に平成5年および平成6年の実験条件と結果を示す。平成5年の陽子標的実験はEMCの測定領域から領域を広げ、g_1(x)の積分への不定性を減らし、統計を上げて信頼性を高めることを目指すものであった。平成6年の重陽子データは平成4年のデータの精度をさらに上げることを目的とした。陽子について非対称度A^p_1(x)をプロットしたものが図1である。結果をEMCと比べるとxの測定範囲については1桁小さい領域までおよび、統計誤差も大きく改善されていることが解る。g_1(x)をx=1からx=0に向けて積分していった値をプロットしたものを図2に示す。グラフ中のEllis-Jaffe和則値との不一致が特徴である。これらのデータから引き出される結論は次のようにまとめられる。
[測定結果の解釈]
[1]Ellis-Jaffeの和則の検定では、平成5年の実験値は理論値と2標準偏差以上の開きがあり、簡単なクォーク模型では実験を理解する事はできない。
[2]実験から得られるクォークスピンの和(ΔΣ)は、陽子についてΔΣ=0.22±0.16を与えた。ストレンジクォークについてはΔ_S=-0.12±0.06を与えた。これらの値はEMCのそれに比べれば事態を少しだけよくしているように見受けられるがクォークスピンの寄与の少なさは変らない。
[3]Bjorken和則は、(1)陽子に対する(EMC+SLAC)データとSMC重陽子で出した値、および(2)(SMC+EMC+SLAC)の陽子と(SMC重陽子+SLAC^3He)で出した中性子のデータで出した値の二つの場合について、それぞれ、0.20±0.064、0.204±0.029を与え、中性子のベータ崩壊から得た値0.191±0.002と極めて良い一致をみた。ベータ崩壊から得る理論計算を3次までのQCD近似を入れて計算すると、値は0.185±0.004となるが、誤差の範囲内で一致し、Bjorken和則には問題がない。

研究成果

• [文献書誌] N.Horikawa et al.: "Measurement of the Deuteron Polarization in a Large Target" Nucl.Instr.and Meth.A349. 334-344 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Horikawa et al.: "Measurement of the Spin-Dependent Structure Function g_1(x) of the Proton" Phys.Lett.B329. 399-406 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Horikawa et al.: "Spin Asymmetry in Muon-Proton Deep Inelastic Scattering on a Transversely Polarized Target" Phys.Lett.B336. 125-130 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Horikawa et al.: "The Present Status of the Nucleon Spin Structure Functions" Nucl.Phys.A577. 313C-318C (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 堀川直顕: "核子スピンの起源をめぐる新しい実験とその展開" 日本物理学会誌. Vol.49. 913-916 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Horikawa, et al.: "Measurement of the Deuteron Polarizationin a Large Target." Nucl.Instr.and Meth.A349. 334-344 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Horikawa, et al.: "Measurement of the Spin-Dependent Structure Function g_1(x) of the Proton." Phys.Lett.B329. 399-406 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Horikawa, et al.: "Spin Asymmetry in Muon-Proton Deep Inelastic Scattering on a Transversely Polarized Target." Phys.Lett.B336. 125-130 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Horikawa: "The Present Status of the Nucleon Spin Structure Functions." Nucl.Phys.A577. 313-318 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Horikawa: "The new Experiment and Development on the Origin of the Nucleon Spin.(in Japanese)" "BUTSURI". Vol.49. 913-916 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] B.Adeva et al.(SMCメンバー): "Measurement of the spin-dependent structure function g_1(x) of the deuteron" Phys.Letters.B. 302. 533-539 (1993)
• [文献書誌] B.Adeva et al.(SMCメンバー): "Combined analysis of world data on nucleon spin structure functions" Phys.Letters B. 320. 400-406 (1994)
• [文献書誌] B.Adeva et al.(SMCメンバー): "Measurement of the polarization of a high energy muon beam" Nucl.Instr.and Meth.(submitted).
• [文献書誌] B.Adeva et al.(SMCメンバー): "Measurement of the deuteron polarization in a large target" Nucl.Instr.and Meth.(submitted).
• [文献書誌] 岸淳,堀川直顕,岩田高広,中須賀徳行: "周波数シンセサイザーを使った偏極度測定と標的の開発" 原子核研究. 38. 1-26 (1994)