ラムダハイパー核電磁分光で探るバリオン力

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01121
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 中村 哲 東北大学, 理学研究科, 教授 (50280722)
• 研究分担者: 金田 雅司 東北大学, 理学研究科, 助教 (00400226)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: ハイパー核 / 電磁生成 / 電子ビーム / ストレンジネス / ハドロン

研究実績の概要

これまでに米国ジェファーソン研究所(JLab)で実施したラムダハイパー核分光実験の経験をベースに、既に採択された次世代ハイパー核分光実験であるE12-15-008実験のセットアップの最適化を行った。
我々が、国内で設計・製作しJLabに設置した高分解能K中間子検出器(HKS)とJLab Hall-A実験室常設の高分解能検出器(HRS)を組み合わせて使用し、入射電子エネルギーを4.5GeVまで上昇させるために正負荷電粒子を分離するセプタム電磁石が必要である。これにより制動放射、メラー散乱による背景雑音を前方にブーストし、検出器のアクセプタンス外に追いやることが可能となり、電磁相互作用に起因する背景雑音を圧倒的に抑制することが可能になる。
H29年度は正負荷電粒子を分離するために必要となるセプタム電磁石のビーム光学計算、概念設計を進めた。このために有限要素法を用いた精密三次元磁場計算のベースとなるモデルを作成し、モンテカルロ計算で必要となる磁場マップを作成した。このモンテカルロシミュレーションコードを駆使して、セプタム電磁石作成の予算を抑制するために既存の電磁石(APEXセプタム)を部品として利用する可能性を検討した。
その結果として、新たに新しい磁石をゼロから作成する場合と比較して、非常に大きくは性能を落とさないデザインが可能であることを見いだした。そして、この電磁石を所有するAPEX国際共同研究グループと協力して磁石の具体的な改造法の検討を進めた。また、JLabの4.5GeV, 50μAの強力なビームにより破壊されないように安全な標的ホルダーのデザインをJLab標的エキスパートと強力して開始した。
さらに、マインツ大学、東北大学ELPHにおいて軽いハイパー核研究の予備実験の検討を進めた。特にマインツ大学においてはアンジュレータを用いたビームエネルギー精密決定実験を遂行した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

これまでにジェファーソン研究所で収集した実験データをベースに、K中間子検出器、散乱電子検出器、新たに導入するセプタム電磁石の現実的なモンテカルロシミュレーションコードを開発した。新規に導入するセプタム電磁石は三次元磁場計算を行い、磁場マップを作成し、モンテカルロシミュレーションコードに組み入れることで、これまでの解析的に求めた単純な磁場マップよりも精度の上がった議論が可能になった。
予算の制限によりセプタム電磁石をゼロから新規に作成することが難しいことが分かったが、ジェファーソン研究所に既存のセプタム電磁石をベースとして、大幅に改造することで必要となる正負荷電粒子を分離できるデザインが可能であることが分かった。電磁石をゼロからデザインするよりは、他実験に最適化された磁石を本研究向けに改造することは技術的には難しいが、ジェファーソン研究所、磁石の持ち主であるAPEX国際共同研究グループ（我々もこの磁石を使用するため、本年度から研究に参加することにした）のサポートを得ることで概ね順調に計画は進展している。
電磁石以外の標的周りの設計、電子ビームエネルギーの精密測定技術の開発に関しては問題なく順調に進展している。
標的ホルダーに関してはキャリブレーション用の固体標的と主標的であるCa40, Ca48標的を安全にマウントし、超強力な電子ビームを照射しても熱により溶けることがないような冷却システムの概念設計を行った。Ca48標的は極めて高価なため、できるだけ小さな半径で標的を製作したいが、熱的デザインと矛盾しないように今後も研究を進める。
さらに、今年度はマインツ大学においてアンジュレータを用いた電子ビームエネルギー精密測定実験の予備的データを収集した。今後、ハイパー核分光実験に応用可能であると期待できる。

今後の研究の推進方策

H29年度に完成した概念設計を元に、APEXセプタム電磁石の具体的改造プランをJLabエキスパートと共に進め、日本側の製作業者も交えた追加部分の機械設計を進める。電磁石の追加部分の製作と、貴重な同位体濃縮されたCa48標的のどちらを優先して購入を進めるかは電磁石の改造計画と、標的ホルダーの設計の進捗状況を見た上で、H30年度予算に収まる範囲内でできるだけ早く進める予定である。
それらの設計、製作を進め、同時にジェファーソン研究所における技術審査会議（新たに製作する磁石や標的などの安全審査）の準備を進め、できるだけ早い機会にJLabにおけるビームタイムを実施することをめざす。
また、高分解能Ｋ中間子検出器を使用しないnnΛ束縛系の研究は、H30年度にも開始することが可能である。現在の散乱電子検出器に欠けているが、我々の実験では必要となるエアロゲルチェレンコフ検出器の調整を夏頃までに進め、冬にはデータ収集を行う。この実験に必要なトリチウム標的は既に準備が終了しており、他実験で使用を開始している。
また、来年初頭にはAPEX実験(電子ビームを用いたダークフォトン探索実験）にも参画する。APEX実験で使用して放射化する前にセプタム電磁石の最低限の改造を行い、APEX実験が終了した後、日本国内で制作する追加部品と組み合わせて我々に必要なセプタム電磁石へと組み上げる予定である。
マインツ大学における電子ビームエネルギー精密決定実験、東北大電子光理学研究センターにおける軽いハイパー核の寿命測定実験を並行して準備し、そこで得られた知見をジェファーソン研究所での実験にフィードバックしながら研究を進める。

研究成果

• [国際共同研究] Jefferson Lab./Hampton University/Florida International University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Jefferson Lab./Hampton University/Florida International University
  • 他の機関数: 12
• [国際共同研究] Johannes Gutenberg-University Mainz(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Johannes Gutenberg-University Mainz
• [国際共同研究] INFN Rome/INFN Bari(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: INFN Rome/INFN Bari
• [国際共同研究] A.I.Alikhanyan National Science Lab.(アルメニア)
  • 国名: アルメニア
  • 外国機関名: A.I.Alikhanyan National Science Lab.
• [国際共同研究] University of Zagreb(クロアチア)
  • 国名: クロアチア
  • 外国機関名: University of Zagreb
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 7
• [雑誌論文] Direct measurements of the lifetime of medium-heavy hypernuclei (2018)
  • 著者名/発表者名: Qiu X.、...、Nakamura S.N.、et al.
  • 雑誌名: Nuclear Physics A 巻: 973 ページ: 116～148
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2018.03.001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Neutral Kaon Spectrometer 2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Kaneta M.、Beckford B.、Fujii T.、Fujii Y.、Futatsukawa K.、Han Y.C.、Hashimoto O.、Hirose K.、Ishikawa T.、Kanda H.、Kimura C.、Maeda K.、Nakamura S.N.、Suzuki K.、Tsukada K.、Yamamoto F.、Yamazaki H.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 886 ページ: 88～103
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2017.12.076
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Design and performance of the spin asymmetries of the nucleon experiment (2018)
  • 著者名/発表者名: J.D. Maxwell, W.R. Armstrong, S. Choi, M. K. Jones, H. Kang, A. Liyanage, Z.-E. Meziani, J. Mulholland, L. Ndukum, O.A. Rondon, A. Ahmidouch, I. Albayrak, A. Asaturyan, O. Ates, H. Baghdasaryan, W. Boeglin, ..., T.Gogami et al. (S.N.Nakamura 18 of 106)
  • 雑誌名: Nuclear Inst. and Methods in Physcis Research, A 巻: 885 ページ: 145～159
  • DOI: 10.1016/j.nima.2017.12.008
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spectroscopic Study of Lambda Hypernuclei with Electron Beams at Jefferson Lab (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoshi N Nakamura,Toshiyuki Gogami, Liguang Tang
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 17 ページ: 011002-1-13
  • DOI: 10.7566/JPSCP.17.011002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Beam helicity asymmetries in K+ Lambda electroproduction off the proton at low Q2 (2017)
  • 著者名/発表者名: P. Achenbach, C. Ayerbe Gayoso, R.Bohm, O. Borodina, D. Bosnar, V. Bozkurt, ..., Y. Fujii, T. Gogami et al. (S.N.Nakamura 24 of 39)
  • 雑誌名: Eur. Phys. J. A 巻: 53 ページ: 198-1-10
  • DOI: 10.1140/epja/i2017-12395-1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-Resolution Decay-Pion Spectroscopy of 4ΛH Hypernuclei (2017)
  • 著者名/発表者名: P. Achenbach, F. Schulz, S. Nagao, S. Aulenbacher, ... Y. Fujii, M. Fujita, T. Gogami, H. Kanda, M. Kaneta, ..., S. N. Nakamura, J. Pochodzalla, A. Sanchez Lorente, B. S. Schlimme, M. Schoth, C. Sfienti, S. Sirca, M. Steinen, Y. Takahashi, L. Tang, M. Thiel, K. Tsukada, A. Tyukin, and A. Weber
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 17 ページ: 011001-1-8
  • DOI: 10.7566/JPSCP.17.011001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Study of Λ-n Interaction via FSI in γ+d Reaction (2017)
  • 著者名/発表者名: Masashi Kaneta for the NKS2 Collaboration
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 17 ページ: 062002-1-4
  • DOI: 10.7566/JPSCP.17.062002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Recent Results of Strangeness Photoproduction in the Threshold Region at ELPH-Tohoku (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Kanda, Brian Beckford, Petr Bydzovski, Takeji Fujibayashi, Takao Fujii, Yu Fujii, Kenta Futatsukawa, Toshiyuki Gogami, Yun-Cheng Han, ..., Sho Nagao, Satoshi N. Nakamura, et al.
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 17 ページ: 062006-1-4
  • DOI: 10.7566/JPSCP.17.062006
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 高エネルギー光子で探る原子核内部と中性子星深部 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中村 哲
  • 学会等名: 第八回 Muon科学と加速器研究
  • 招待講演
• [学会発表] 整形増幅回路を含めた Multi -gaps Resistive Plate Chamberの性能評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹内大貴
  • 学会等名: 日本物理学会 春
• [学会発表] MPPC を用いたエアロジェルチレンコフ検出器の開発と製作 (2018)
  • 著者名/発表者名: 上原圭太
  • 学会等名: 日本物理学会 春
• [学会発表] γ d→dπ＋π－反応によるダイバリオンの探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 室井 佑太
  • 学会等名: 日本物理学会 春
• [学会発表] Lambda-n interaction study via FSI (2018)
  • 著者名/発表者名: M.Kaneta
  • 学会等名: International Workship on the project for the extended hadron expeerimental facility of J-PARC
  • 国際学会
• [学会発表] Lifetime measurement of light hypernuclei at ELPH (2018)
  • 著者名/発表者名: S.Nagao
  • 学会等名: International Workship on the project for the extended hadron expeerimental facility of J-PARC
  • 国際学会
• [学会発表] The nnΛ search at JLab (2018)
  • 著者名/発表者名: T.Gogami
  • 学会等名: International Workship on the project for the extended hadron expeerimental facility of J-PARC
  • 国際学会
• [学会発表] ラムダハイパー核の電子線分光 (2018)
  • 著者名/発表者名: 後神利志
  • 学会等名: 日本物理学会 春（若手奨励賞受賞講演）
  • 招待講演
• [学会発表] Electro-photo production of Λ hypernuclei and perspectives (2017)
  • 著者名/発表者名: S.N.Nakamura
  • 学会等名: 2nd EMMI Workshop, Anti-matter, hyper-mattter and exotica producionat LHC, Turin, Italy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Results from the hypernuclear physics experiment at JLab and future persoectives (2017)
  • 著者名/発表者名: S.N.Nakamura
  • 学会等名: HADRON2017, Saoamanca, Spain
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Study of Hypernuclei with Electron Beams (2017)
  • 著者名/発表者名: S.N.Nakamura
  • 学会等名: Gordon Research Conference, Nuclear Chemistry, New London, NH USA
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Study of Hypernuclei with Electron Beams - Hyperon puzzle, Hyper-triton puzzle and n3L puzzle - (2017)
  • 著者名/発表者名: S.N.Nakamura
  • 学会等名: RIKEN RIBF Colloquium
  • 招待講演
• [学会発表] Sub-GeV 光子エネルギーにおけるd(γ,π+π－d)反応 (2017)
  • 著者名/発表者名: 室井 佑太
  • 学会等名: 日本物理学会 秋
• [学会発表] ELPH におけるハイパー核寿命測定実験用の中抜型新 TOF 検出器開発と性能評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小西 由浩
  • 学会等名: 日本物理学会 秋
• [学会発表] 生成閾値領域エネルギーでのγ + d + d → K++ K++Λ+n 反応における終状態相互作用を用いたΛ n相互作用測定実験計画の現状 (2017)
  • 著者名/発表者名: 金田雅司
  • 学会等名: 日本物理学会 秋
• [学会発表] An experimental approach to the hypertriton puzzle with hypernuclear (electro-)photo-production (2017)
  • 著者名/発表者名: S.Nagao and S.N.Nakamura
  • 学会等名: ASTRA ETC*
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental design of a direct lifetime measurement for hypertriton at ELPH (2017)
  • 著者名/発表者名: Y.Toyama
  • 学会等名: ASTRA ETC*
  • 国際学会
• [学会発表] Lifetime measurement of hypernuclei at ELPH (2017)
  • 著者名/発表者名: Y.Toyama
  • 学会等名: SNP School 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Progress of few-body hypernuclear measurements with electro-photo production (2017)
  • 著者名/発表者名: S.Nagao
  • 学会等名: HNP2017
  • 国際学会
• [学会発表] Precise spectroscopy of potassium-40, 48 Lambda hypernuclei at Jefferson Lab (2017)
  • 著者名/発表者名: T.Gogami
  • 学会等名: ASTRA ETC*, Torento, Italy
  • 国際学会
• [図書] Proceedings of the 12th International Conference on Hypernuclear and Strange Particle Physics (HYP2015) (2017)
  • 著者名/発表者名: Eds. H.Tamura, A.Dote, B.F.Gibson, T.Harada, E.Hiyama, A.Hosaka, K.Imai, T.Nagae, S.N.Nakamura,A.Ohnishi, T.Tkahashi
  • 総ページ数: 122篇
  • 出版者: The Physical Society of Japan
  • ISBN: 978-4-89027-145-5
• [備考] 東北大学理学研究科物理学専攻素粒子・核物理学講座ストレンジネス核物理グループ
  • URL: http://lambda.phys.tohoku.ac.jp/strangeness/index-j.html