電子線を用いた高分解能 Λハイパー核分光用散乱電子スペクトロメータの研

究東北大学大学院理学研究科

物理学専攻松村　彰彦

概要電子線を用いた Λ ハイパー核分光前回の実験の問題点と改良Tilt 法、 Background study

散乱電子検出器の開発、ビームテストまとめ

電子線を用いた Λ ハイパー核分光

反応 入射ビーム 変換 運動量移行 スピン 断面積

(K-,π-) 2 次ビーム n→Λ ~100 MeV/cspin-non-flip

~1 mb/sr

(π+,K+) 2 次ビーム n→Λ ~400 MeV/cspin-non-flip

~10 μb/sr

(e,e’ K(e,e’ K++)) 11 次ビーム次ビーム p→Λp→Λ ~400 ~400 MeV/cMeV/c

spin-flipspin-flip

spin-non-spin-non-flipflip

~100 ~100 nb/srnb/sr

散乱粒子の角度分布e’ 、 K+ 共に前方ピーク

⇒ 可能な限り前方に散乱された粒子を測定

世界で最初の電子線を用いたΛ ハイパー核分光実験 E89-009

0 度方向に散乱した e’ 、 K+ を測定(Enge 、 SOS

スペクトロメータ )世界最高となる、900 keV(FWHM)のエネルギー分解能

E89-009 の問題点と改善策ハイパー核生成率主に制動放射による多量の散乱電子側のバックグラウンドのため、ターゲット厚、ビーム強度が制限( それでも計数率 200MHz; 12C ターゲット 22 mg/cm2 、ビーム強度 0.66μA の場合 )

　　⇒散乱電子側は散乱電子側は 00 度を避けて測定度を避けて測定エネルギー分解能SOS が分解能を制限

　　⇒ HKS( 高分解能大立体角 K 中間子スペクトロメータ ) の導入

E01-011 セットアップ

散乱電子側の実験条件

中心運動量 0.316 GeV/c

運動量アクセプタンス ±30 %

運動量分解能 (δp/p) 4×10-4(FWHM)

飛跡測定用検出器 ドリフトチェンバーＴＯＦ測定及びトリガー用検出器

プラスチックシンチレータ

全体での目標エネルギー分解能

0.4 MeV(FWHM)0.4 MeV(FWHM)

散乱電子スペクトロメータ(Enge スペクトロメータ )

Split-pole 型ハードウェアスペクトロメータE89-009 でも使用運動量分解能5×10-4(FWHM)

散乱電子側のバックグラウンド制動放射　＆　Ｍ ø ｌｌｅｒ散乱

制動放射に付随する電子⇒0 度方向にピークＭ ø ｌｌｅｒ散乱 ⇒ 散乱電子の運動量が

　　　決まると散乱角も　　　一意的に決まる。

Tilt 法散乱電子は splitter magnet で水平方向に分散⇒ ビーム分散に対して

垂直方向に傾ける

バックグラウンド電子( 制動放射 & Ｍ ø ｌｌｅｒ散乱 )

を避け、仮想光子に関与した電子をできるだけ多く検出する

パラメータの最適化Tilt angle = 7.75°Offset = 6 cm

FoM が良くなる

ターゲット厚 5 倍、ビーム強度 50 倍K+ arm 側と合わせてYield が 50 倍、S/N 比が 10 倍良くなる

⇒

GEANT3 によるシミュレーション

目的検出面での散乱電子の現実的な計数率を調べる• 周囲の物質 (collimator 、

Enge pole face 等 )

に当たった電子の振る舞い

• 高い運動量の電子の振る舞い

シミュレーションの条件Splitter 及び Enge magnet の磁場⇒ 有限要素法を用いた 3 次元磁場計算ソフト「 TOSCA 」発生電子分布⇒ それぞれの物理プロセスの角度分布に　　従うようにターゲットで発生、運動量 0~1.8 GeV/c

物質鉄⇒ Enge pole 、 Splitter pole

鉛⇒検出器シールド用タングステン合金⇒ collimator

真空⇒ virtual detector (detector plane 含む ) 、その他の空間

初期運動量 0~1.8 GeV/cの電子検出面に到達する電子の初期運動量は

0.20.2~0.5 GeV/~0.5 GeV/cc に集中

高い運動量の電子が周辺の物質に当たってエネルギーを失い、検出面に到達する割合はほぼほぼ 00

⇒

Enge アクセプタンス（ 0.186~0.470 GeV/c）の電子

検出面に到達した電子の数

物理プロセス 到達電子数 /発生電子数

ハイパー核生成に関与した 電子 4.9×10-3(2.2×10-4)

Bremsstrahlung 2.1×10-5(2.2×10-7)

Møller scattering 2.6×10-5(1.3×10-6)

※ 括弧内の数値は周辺の物質に当たった電子を表す※ 発生電子数⇒約 107 events

検出面に到達する電子の約 5% は周辺の物質に当たってエネルギーを失っている

バックグラウンド発生源

主に Enge 入口や上 pole に当たった電子がエネルギーを失い検出面に到達する。

シミュレーションまとめ検出面での電子の計数率(0.186~0.470 GeV/c、ビーム強度 30 μA 、 12C ターゲット 100 mg/cm2 の場合 )

物理プロセス 到達電子数 /

　　　　発生電子数

Targetでの発生率[GHz]

検出面での計数率[kHz]

ハイパー核生成に関与した電子 4.9×10-3(2.2×10-4) 5.1×10-7

2.52.5×10×10-3-3

(1.1(1.1×10×10-4-4))Bremsstrahlung 2.1×10-5(2.2×10-7) 7.2 150(1.6)150(1.6)Møller scattering 2.6×10-5(1.3×10-6) 1.0 26(1.3)26(1.3)※ 括弧内の数値は周辺の物質に当たった電子を表す

バックグラウンドとなる電子 ( 制動放射 & Møller 散乱 )

の計数率はおよそ 180kHz180kHz(E89-009 の散乱電子計数率～ 200MHz)

散乱電子検出器の開発広い角度分布 (0~40度 )を持つ電子の飛跡測定

⇒ハニカムセルドリフトチェンバー目標分解能： 200μm(位置、水平方向）

300μm(位置、鉛直方向） 1.5 mrad(角度 )

TOF測定及びトリガー測定⇒プラスチックシンチレータ

目標分解能： 75 ps（ σ;TOF分解能）

ハニカムセルドリフトチェンバーの仕様

10 layers (xx’,uu’,xx’,vv’,xx’)

uu’,vv’ ±30°

セルサイズ 0.5 cm

Anode W-Au plated 20 ⇒ μmΦCathode Al-Au plated 80 ⇒ μmΦAr+C2H6 (50%,50%)

有効領域100×12×32 cm3

ハニカムドリフトチェンバーの性能

位置（水平 ;X)

86 μm

位置（鉛直 ;Y)

210 μm

角度（水平 ;X’)

0.7 mrad

角度（鉛直 ;Y’)

2.8 mrad

各分解能

中心運動量 0.316 GeV/c の電子に対して

44×10×10-4-4(FWHM)(FWHM)以下以下の運動量分解能

⇒

X

X’Y’

Y

プラスチックシンチレータの仕様

プラスチックシンチレータ⇒BC420

(4×12×1 cm3)PMT⇒Hamamatsu,

H66121 layer⇒25 segments

ＴＯＦ分解能 ～ 100 ps (σ) for 1.2 GeV/c,π+

(単体 :～ 70 ps (σ))

まとめ散乱電子側のバックグラウンドを減らすために、 Tilt 法を考案、採用Tilt angle=7.75°,offset=6.0 cm

⇒ ターゲット厚を 5 倍、ビーム強度を 50 倍にしても バックグラウンド電子の計数率を

180kHz180kHz以下以下にまで軽減できる

散乱電子検出器の開発⇒ 中心運動量 0.316 GeV/c に対して

4×104×10-4-4(FWHM)(FWHM) 以下以下の運動量分解能を見込むことができる

ホドスコープの性能TOF 分解能~99 ps(σ)

for 1.2 GeV/c,π+

ホドスコープ単体の分解能~70 ps(σ)

初期パラメータ：Bremsstrahlung

初期パラメータ：Møller scattering

初期パラメータ : ハイパー核生成に関与した電子

Tilt 法のパラメータの最適化