高運動量ビームラインと
核物質中でのハドロン質量の変化
小沢 恭一郎
KEK
J-PARCハドロン施設における事故
• ご迷惑をおかけしています。
• 5月23日に発生した、J-PARC ハドロン実験施設に
おける放射性物質漏えい事故に関しては、以下
のインフォーマル・ミーティングを開きます。
– インフォーマル・ミーティング
SC会場 22日 12:30~13:30
説明者： 鈴木厚人機構長
齊藤直人J-PARC副センター長
2013/9/20
JPSシンポ＠高知大学
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J-PARC 高運動量ビームライン
2013/9/20
JPSシンポ＠高知大学
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ハドロンとは？
• 基礎的な観測事実
–
–
–
–
クォークは、ハドロン内に閉じ込められている。
内部u, d, s クォークは、Higgs質量より重い。
しかし、Pseudo-scalar mesonは、軽い
フレーバー 対称性 SUf（N）が存在
ハドロンに対する理解
Perturbative region
Nonperturbative region
自発的対称性の破れ
• Constituent quark
• Current quark
• 質量の生成
• SUV(N)
• SUL(N) X SUR(N)
• NGボソンとしての
p, K, h の出現
2013/9/20
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ハドロン物理
• 理解したい物理過程
– カラーレス粒子であるハドロンの相互作用の起源
– ハドロン内部の構成（スピン、励起状態、…）
– ハドロン質量獲得の過程
• 理解したい謎
– 予想されているが見つからない共鳴状態
– 単純クォーク模型では、説明の出来ない状態の存在
• Roper, Λ（1405）など
– 全く予想しない状態の発見
• Belleにおける幅の狭い共鳴状態
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実験でのアプローチ
• QCD媒質中でハドロン性質の測定
– 高温媒質中、原子核中でのハドロン
– ハドロン性質の変化がQCD媒質の変化を反映
• ハドロン内部の構造を反映する量の測定
– スペクトロスコピー、構造関数
– 励起状態や偏極状態による情報の追加
• 基本的なハドロン相互作用の測定
– 散乱実験、束縛状態
一つの実験で得られる情報は限定的
大目標に対する位置づけは、個々に議論が必要
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高運動量・高強度の必要性
• QCD媒質中でハドロン性質の測定
– 高運動量によるハドロン生成断面積の増加
– 高強度ビームを用いた高統計測定
• ハドロン内部の構造を反映する量の測定
– 新たなフレーバー（チャーム）の導入
– より広い運動学的領域における構造関数の測定
• 基本的なハドロン相互作用の測定
– 散乱実験、束縛状態
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高運動量・高強度の実現
• 1次陽子ビームを実験に利用
– 高強度
• ２次生成粒子によるビームに比較して、1,000倍以上
のビーム量を実現可能
• 同ビームラインを2次粒子に利用
– 高運動量の実現
• 高運動量を曲げるために必要な強い磁場と長い距離
が得られる。
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新高運動量ビームライン＠J-PARC
Primary Proton Beam (30GeV), 1010-12 per spill
High Momentum un-separated secondary beam (20GeV/c), 107 per spill
Primary Proton Beam (8GeV) for COMET
近未来のハドロンホール
高運動量ビームライン（建設予定）
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核物質中でのハドロン質量
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ハドロン質量スペクトラム
Mass [GeV]
• カイラル対称性の自発的
破れに伴う質量の獲得
構成子クォーク
の質量を獲得
NGボソンとしての
擬スカラー中間子
（Jp=0-）
• π中間子が異常に軽い（Mp
~ 130 MeV/c2 ）ことは、対
称性の自発的破れに伴う
南部ゴールドストンボソン
と理解
• 実際にカイラル対称性は
破れている。
– カイラルパートナーに質
量差があることが知られ
ている
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研究対象
• π中間子と擬スカラー粒子
– 自発的破れに伴う南部ゴールドストンボソン
• σ中間子
– π中間子のカイラルパートナー
– σ場が質量を生み出し、その揺らぎがσ中間子となるという
意味で、QCDにおけるヒッグス粒子
• カイラルパートナーの質量差
– r(JP = 1-) 770 MeV/c2 , a1(JP = 1+) 1250 MeV/c2
• QCD媒質内の反クォーク・クォーク凝縮量
– “真空”の性質を表し、カイラル対称性の秩序変数として、
質量の大きさと密接に関係
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反クォーク・クォーク凝縮量
• 反クォーク・クォーク凝縮量と関係した測定量
– ベクトル中間子や軸性ベクトル中間子の質量分布
– Weinberg type sum rule
Hatsuda, Koike and Lee, Nucl. Phys. B394 (1993) 221
Kapusta and Shuryak, Phys. Rev. D49 (1994) 4694
– たとえば、自由空間中で、t粒子の崩壊からの分布の測
定がある。（ALEPH, Phys. Rep. 421(2005) 191）
– 自由空間以外での測定は、実験的に難しい
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さらに、反クォーク・クォーク凝縮量
• QCD sum ruleをベクトル中間子の質量分布に適
用し、凝縮量と関係づけられると示唆
Hatsuda and Lee, Phys. Rev. C46 (1992) R34
• 実験的には、
– ベクトル中間子質量分布の測定は可能
– 原子核中や高温ハドロン物質中での測定も可能
• 内包する凝縮量の違いを反映する
• 質量獲得モデルや“QCD媒質”状態予想の検証
– 自由空間以外でのベクトル中間子の質量分布測定
が基礎情報として重要
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KEK-PS E325実験へ
• 原子核密度に対する面白い予想の存在
– 凝縮量と質量分布の関係と以下の仮定を基に予想
• 質量分布の形
Hatsuda and Lee, Phys. Rev. C46 (1992) R34
– 凝縮量の変化の効果をポール位置の変化に集約
• 核子内の凝縮量の評価
• 凝縮量は、密度に線形に変化
Hatsuda and Kunihiro, Nucl. Phys. B387 (1992) 715
– 原子核中で、18％（ρ, ω）と1.8%（φ）の質量変化を予測
• 実験的に検証可能
– 原子核中での崩壊により質量分布を測定
– 終状態相互作用を避けるために電子対崩壊を選択
– バックグランドやρ-ω干渉に関する不定性を避けるため、φ中間
子に対して測定
• φ中間子の幅は狭い（ 4.3 MeV/c2 ）。質量変化が測定しやすい。
• あらわなハドロン相互作用の効果は小さい。
– e.g. Binding energy of fN is 1.8 MeV (Phys. Rev. C 63(2001) 022201R)
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KEK-PS E325実験の概要
12 GeV proton induced.
p+A  f + X
Electrons from f decays are detected.
Target
Carbon, Cupper
0.5% rad length
KEK E325
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Clear measurements of f meson at KEK-PS.
The only one measurement on medium modification of f meson.
bg<1.25 (Slow)
Decays outside nucleus
R. Muto et al., PRL 98(2007) 042581
Decays inside nucleus
Cu
fmeson has NO mass
modification
fmeson has mass
modification
Blue line shows expected line
shape including all
experimental effects
wo mass modification
Modification is
shown as an Excess
e+e- invariant mass
Indication of QCD-originated mass modification!
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Target/Momentum dep.
bg<1.25 (Slow)
1.25<bg<1.75
Two nuclear targets:
Carbon & Copper
Inside-decay increases in
large nucleus
Momentum bin
Slowly moving f mesons
have larger chance to
decay inside nucleus
Excess
Same as
previous
slide
Only one momentum bin
shows a mass modification
under the current statistics.
To see clear mass modification
and establish QCD-originated
effects, significantly larger
statistics are required.
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e+e- invariant massJPSシンポ＠高知大学
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KEK-PS E325で得られたもの
• 原子核中でのφ中間子の質量分布変化を示唆する
データ
• 得られた分布をφ中間子の質量ピーク位置の変化とし
て解釈すると、3%の変化
• 初田-Lee予想とConsistentだが、偶然かもしれない。
– 核子内の<ss>凝縮量は、非常に小さいというLatticeの計
算（H. Ohki et. al, Phys. Rev. D 78(2008) 054502）
– 密度に対する凝縮量の線形近似
– 中間子生成過程、 中間子崩壊点の密度の不定性
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次に、何を目指すか？
• KEK-PS E325の結果のConfirm
– 世界的にも、他にφ中間子の結果は得られていない。
• 原子核密度における質量分布の確立
– 凝縮量との関係に対する議論に耐えられるデータ
– 生成過程、密度分布などの不定性の小さいデータ
• 単なる質量分布を超えた測定
– 媒質中で質量に対応するものは、エネルギーと運動
量の分散関係
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J-PARCでの実験の目標
A clear shifted peak needs to be identified
to establish QCD-originated effects
Momentum Dependence
Pb
E325 results
Proton
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Extrapolate
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凝縮量の評価を可能にする高統計測定
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さらに、
Modified f
f
f
f
ff f
f
Pb
f
f
f from
Proton
[GeV/c2]
Invariant
mass in
medium
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Dispersion relation JPSシンポ＠高知大学
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Experimental set up
Construct a new beam line and new spectrometer
Deliver 1010 per spill proton beam
Primary proton (30GeV) beam
Cope with 1010 per spill beam intensity (x10)
Extended acceptance (90 in vertical) (x5)
Increase cross section (x2)
New high momentum beam line
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Detector components
HBD (Hadron-Blind
Cherenkov detector )
GEM Tracker
100x100 200x200
300x300
Position resolution of 100m is achieved



Key Technology:
CsI evaporated GEM as a photo cathode
Q.E. of 40% is achieved
Both detectors based on Gas Electron Multiplier (GEM) technology
Recently, we succeed making a proto-type which meets our experimental
requirements.
Now, we are preparing a mass production of detectors.
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まとめ
• ハドロン物理で新たな実験を遂行するために、
1次陽子と高運動量2次粒子を用いる高運動
量ビームラインが建設される予定である。
• KEK-PS E325での、φ中間子質量分布の核内
での変化を示唆する測定結果を受けて、核内
反クォーク・クォーク凝縮量の議論に耐えられ
る高統計データ収集をJ-PARCで目指す。
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バックアップ
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Which is the best, r/w or f?
• r/w
– Dynamical mass contribution is dominant
Mp ~ 130 MeV/c2
Mr ~ 770 MeV/c2
– Large hadronic effects and background issues are large
• f
– Still, dynamical mass contribution is dominant
Mh ~ 550 MeV/c2
Mf ~ 1020 MeV/c2
– Narrow width ( 4.3 MeV/c2)
• Small background issue
– Small effects of hadron-hadron interactions
• e.g. Binding energy of fN is 1.8 MeV (Phys. Rev. C 63(2001) 022201R)
To see QCD-originated effects, f meson is the most promising probe.
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Current status of experiments
Most measurements are done for r/w mesons
• High energy heavy ion collisions
– SPS-NA60 (PRL 96 (2006) 162302)
• Modification of r meson due to hadronic effects
– RHIC-PHENIX (PRC81(2010) 034911)
• Origin of the enhancement is under discussion
• Nuclear targets
– CBELSA/TAPS (Phys.Rev. C82 (2010) 035209)
• Modification of w is not observed
– J-LAB CLAS G7 (PRL 99 (2007) 262302)
• Mass broadening of r due to hadronic effects
– KEK-PS E325 (PRL 96 (2006) 092301)
• Peak shift and width broadening of r/w
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Large
uncertainty in
background
subtraction
method
Several hadronic and experimental effects
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causeJPSシンポ＠高知大学
difficulties in r/w measurements.
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<ss> & f-meson mass

<ss>(r) (ss condensate in medium whose density is r ) is relevant the f
mass in nuclear matter under the QCD sum rule analysis by Hatsuda
& Lee (PRC46(92)R34 : HL92)



linear approx. : <ss>(r)=<sbar s> (vac) + <N|ss|N> x r
<N|ss|N> is evaluated using (old value of) y and p-N sigma term
Recently <N|ss|N> (so called “ strange quark content of the nucleon” ) is
calculated with Lattice QCD

found to be smaller than the assumed value in HL92, however, agree
within the error
fTs = ms/mN <N|ss|N>
ms=80MeV
arXiv:1208.4185