ハイペロン陽子散乱実験によるバリオン間相互作用研究の新展開

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03693
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 三輪 浩司 東北大学, 理学研究科, 准教授 (50443982)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: ストレンジネス核物理

研究実績の概要

本研究ではシグマ陽子散乱実験およびラムダ陽子散乱実験を行い微分散乱断面積を導出することによって、ΣNおよびΛN相互作用の解明することが大きな目的で ある。シグマ陽子散乱実験(J-PARC E40)を2019年2月からΣ-pのチャンネルのデータ収集を開始し、2019年4月からΣ+pのチャンネルのデータ収集も開始したが、 J-PARC加速器のトラブルによってΣ+pチャンネルの半分程度のデータ収集で一時中断することとなった。加速器再開後の2020年6月にΣ+pチャンネルの残りのデータ収集を終えた。これまでに、2019年に収集したΣ-pチャンネルのデータ解析を進め、Σ-p弾性散乱及びΣ-p→Λn非弾性散乱の断面積の導出に成功した。過去の実験の精度から比べると、本研究では精度を圧倒的に改善することに成功した。これらの結果は、投稿論文としてまとめ、公表している。また、本研究のために開発した反跳陽子検出器システムCATCHについてもテクニカルペーパーとしてまとめ、公表している。これらとともに、Σ+p弾性散乱の解析も進展し、微分断面積を最終化するところまで来ている。
次期実験として考えているΛp散乱実験に関しては、実験計画をプロポーザルとしてまとめ、J-PARCの課題採択委員会に提出した。シミュレーションによる研究を進めるとともに、検出器の開発を進めている。高レートビームに対して時間測定するために、MPPCアレイを用いた高セグメント化されたシンチレーターホドスコープの開発を行なっている。１セグメントを用いたテストで、十分な時間分解能を得ることができることを確認した。これとともにビームラインに設置するファイバー検出器の開発を行い、R&Dを行いながらXX'層の製作を行なった。

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

この研究計画の目的であるΣp散乱の高統計での検出に成功し、当初予想していた程度の精度で微分断面積を導出でき、Σ-pチャンネルに関しては、投稿論文として公表することが出来た。同様に、Σ+pのチャンネルについてもすでに結果は最終的なものとなっている。Σ+pに関しては、ハイペロン陽子散乱で初めて、位相差解析を行い、散乱の位相差を導出することに成功したことも大きな成果であると考えている。
このΣp散乱実験の成功によって、次期実験のΛp散乱実験についても注目されている。バリオン間相互作用の理論研究者とも共同し、相互作用解明の流れを新たに作ることが出来ている。

今後の研究の推進方策

まずは、Σ+pチャンネルの結果を投稿論文としてまとめるべく、努力する予定である。また、E40実験で、バイプロダクトとしてデータ収集したπ-p→K0Λ反応のΛのスピン偏極のデータについても、解析を進めている。このπ-p→K0Λ反応は、次期Λp散乱実験において、Λビームの生成反応として用いる予定であり、過去のデータから、Λが生成平面に対してスピン偏極することが知られている。E40で収集したデータで、Λの偏極量をΛから崩壊する陽子の上下非対称度から測定しており、確かに高いスピン偏極をしていることが確認された。次期Λp散乱実験では、このスピン偏極したΛビームを用いて、微分断面積に加えて、スピン観測量も測定する予定であり、E40のデータは、このための基礎データとなる。
検出器開発に関しては、本研究ではビームラインに設置する高セグメントのホドスコープ及びビームラインファイバートラッカーの製作を目指す。それぞれ基礎的なR&Dで良い成果を得ることが出来ているので、実機製作を今後は進める予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Development and application of CATCH: A cylindrical active tracker and calorimeter system for hyperon?proton scattering experiments (2022)
  • 著者名/発表者名: Akazawa Y.、Chiga N.、Fujioka N.、Hayakawa S.H.、Honda R.、Ikeda M.、Matsuda K.、Miwa K.、Nakada Y.、Nanamura T.、Ozawa S.、Shiozaki T.、Tamura H.、Umetsu H.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1029 ページ: 166430～166430
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.166430
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Precise Measurement of Differential Cross Sections of the Σ－p→Λn reaction in momentum range 470-650 MeV/c (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Miwa et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 128 ページ: 072501
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.072501
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hyperon-Proton Scattering Experiment and Recent Progress of Strangeness Nuclear Physics at J-PARC (2022)
  • 著者名/発表者名: Miwa K.、for the J-PARC E40 Collaboration
  • 雑誌名: Few-Body Systems 巻: 63 ページ: 31
  • DOI: 10.1007/s00601-022-01734-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Establishment of a Modern Experimental Technique of a Σp Scattering Experiment at J-PARC (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Akazawa et al.
  • 雑誌名: JPS Conf.Proc. 巻: 33 ページ: 011134
  • DOI: 10.7566/JPSCP.33.011134
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Study of Λ Identification Method by the π-p→K0Λ Reaction for a Λp Scattering Experiment at J-PARC (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Sakao et al.
  • 雑誌名: JPS Conf.Proc. 巻: 33 ページ: 011133
  • DOI: 10.7566/JPSCP.33.011133
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Measurement of the differential cross sections of the Σ-p elastic scattering in momentum range 470 to 850 MeV/c (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Miwa et al.
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 104 ページ: 045204
  • DOI: 10.1103/PhysRevC.104.045204
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Analysis Status of Σ+p Scattering Events in the J-PARC E40 Experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: Nanamura T.、Miwa K.、Akazawa Y.、Honda R.、Nakada Y.、Sakao T.、for the J-PARC E40 collaboration
  • 雑誌名: Few-Body Systems 巻: 62 ページ: 110
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01698-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Study of ΣN interaction from the Σp scattering experiment at J-PARC (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Miwa et al.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1643 ページ: 012174～012174
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1643/1/012174
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Hyperon-proton scattering experiment and recent progress of strangeness nuclear physics at J-PARC (2021)
  • 著者名/発表者名: 三輪浩司
  • 学会等名: Asia-Pacific conference on few-body problems in physics (APFB2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The Analysis Status of Σ+p Scattering Events in the J-PARC E40 Experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: 七村拓野
  • 学会等名: Asia-Pacific conference on few-body problems in physics (APFB2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Hierarchical structure of matter investigated from hyperon-nucleon interaction (2021)
  • 著者名/発表者名: 三輪浩司
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会(2021年) シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] K1.1ビームラインホドスコープのMPPCアレイを用いた読み出しシステムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 北岡智真
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）
• [学会発表] J-PARC E40実験におけるΣ+p散乱事象の解析状況(3) (2021)
  • 著者名/発表者名: 七村拓野
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）
• [学会発表] J-PARCにおける次世代Λp散乱実験に向けた散乱事象同定法の研究(2) (2021)
  • 著者名/発表者名: 坂尾珠和
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）
• [学会発表] Λ p散乱実験に向けたπ- p → K0 Λ反応の同定手法の改善に向けた研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 和田俊輔
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）
• [学会発表] STUDY OF BARYON-BARYON INTERACTION FROM HYPERON- NUCLEON SCATTERING (2020)
  • 著者名/発表者名: 三輪浩司
  • 学会等名: クラスター新学術領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Measurement of Hyperon-nucleon scatterings at J-PARC (2020)
  • 著者名/発表者名: 三輪浩司
  • 学会等名: Joint THEIA-STRONG2020 and JAEA/Mainz REIMEI Web-Seminar 2020/2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hyperon-proton scattering experiment as a basic and new tool to investigate hyperon-nucleon interaction (2020)
  • 著者名/発表者名: 三輪浩司
  • 学会等名: The International School for Strangeness Nuclear Physics 2020 (SNP school 2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] J-PARC E40実験におけるΣ+p散乱事象の解析状況(2) (2020)
  • 著者名/発表者名: 七村拓野
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] J-PARCにおける次世代Λ p散乱実験に向けた散乱事象同定法の研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 坂尾珠和
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] 偏極したΛを用いたΛ陽子散乱実験の計画 (2020)
  • 著者名/発表者名: 三輪浩司
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [備考] J-PARCハドロン実験施設で奇妙な粒子と陽子の散乱現象を精密に測定
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/11/press20211108-04-scattering.html