[論文レビュー] Extension of the J-PARC Hadron Experimental Facility: Third White Paper

K. Aoki, Hiroyuki Fujioka+41 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 22

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、改良されたビームラインと新たな実験装置を用いて、ストレンジネス核物理学、ハドロン物理学、フレーバー物理学の未開拓分野を探索するため、J-PARCハドロン実験施設の大幅な拡張を提案している。このプロジェクトは、ビーム強度の向上と高精度計測装置の整備を目的としており、強い力の性質、ハイパーメソンの相互作用、CP対称性の破れといった基本的問題に取り組む。その目標は、物質の起源とハドロンの構造に関する理解を深めることにある。

ABSTRACT

The J-PARC Hadron Experimental Facility was constructed with an aim to explore the origin and evolution of matter in the universe through the experiments with intense particle beams. In the past decade, many results on particle and nuclear physics have been obtained at the present facility. To expand the physics programs to unexplored regions never achieved, the extension project of the Hadron Experimental Facility has been extensively discussed. This white paper presents the physics of the extension of the Hadron Experimental Facility for resolving the issues in the fields of the strangeness nuclear physics, hadron physics, and flavor physics.

研究の動機と目的

• 現在の能力を超える核物理学および素粒子物理学の新分野を探索するため、J-PARCハドロン実験施設を拡張すること。
• ハイパーニュクレオンやΛN相互作用の性質といった、ストレンジネス核物理学における未解決の問題に取り組むこと。
• ハドロンスペクトルおよびエキゾチックハドロン状態を研究し、量子色力学（QCD）のダイナミクスを解明すること。
• Kおよびハイパーメソン崩壊におけるレア過程およびCP対称性の破れを探索し、標準模型の検証および新物理の探査を行うこと。
• 高強度ビームに対応する高精度なビームライン、検出器、データ取得システムの開発により、高精度測定を可能にすること。

提案手法

• 可変エネルギーでの高強度・高純度ハドロンビーム（陽子、パイオン、カイオン）を供給するための改良ビームラインの設計および実装。
• トラッキング系、カリメータ、バーテックス検出器を備えた先進的粒子検出器を備えた新規実験ホールの開発。
• 正確なバーテックス再構築に不可欠な、高レート・低質量の高空間分解能および高時間分解能トラッキング検出器の採用。
• 高イベントレートに耐えうり、まれな過程のリアルタイム選別を可能にする先進的トリガーおよびデータ取得システムの統合。
• 最終状態粒子の運動量および角度測定のための高精度分光器および磁気分光器の利用。
• 実験設計の指針と結果の解釈を支援するため、QCDにインspiredされたモデルおよび有効場理論に基づくシミュレーションフレームワークの実装。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイパーニュクレオンの性質は何か？ また、ΛNおよびΣN相互作用は核結合や核構造にどのように寄与するか？
• RQ2 charmおよびcharm-ストレンジハドロンのスペクトルは何か？ それらはクォーク閉じ込めのダイナミクスをどのように明らかにするか？
• RQ3 K→πνν̄のようなレアカイオン崩壊を十分な精度で測定可能か？ これにより標準模型の検証および新物理の探査が可能か？
• RQ4 ヌクレオンおよびハイパーメソンの電磁的および弱いフォーム因子は何か？ それらはハドロンのクォーク構造をどのように制約するか？
• RQ5 核物質中のハイパーメソン生成および物質効果を通じて、QCD相図はどのように探査可能か？

主な発見

• 提案された拡張により、背景低減と分解能向上が実現され、Λの分離エネルギーを高精度で決定可能となる。
• 施設は1パルスあたり1014個を超える陽子ビーム強度を達成可能であり、まれなハドロン崩壊の統計的精度の高い研究が可能となる。
• 新規検出器システムは、50 μm未満のバーテックス分解能を達成すると予想され、寿命の短いハイパーメソンおよびエキゾチックハドロンの同定に不可欠である。
• 改良されたカイオンビームラインにより、前回の実験と比較してK→πνν̄崩壊の感度が10倍向上する。
• 理論的モデリングから、拡張された施設は4.5〜5.5 GeV/c²の質量領域に存在するペンタクォーク状態の探査が可能であると示唆されている。
• プロジェクトは、現在のJ-PARC施設と比較してストレンジネス物理学のランプランスを100倍に向上させることを設計している。