[論文レビュー] GeV Photon Beams for Nuclear/Particle Physics

N. Muramatsu|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2012

Nuclear Physics and Applications参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、SPring-8のLEPS施設における電子アンプルスリングでのレーザー反転コンプトン散乱を用いたGeV級光子ビームの生成と応用をレビューする。高エネルギーで偏光した光子ビームにより、ハドロン構造、メシック核、および特異なハドロン状態の精密な研究が可能となり、ビーム強度は約10⁶ sec⁻¹に達し、コンプトン端での偏光度はほぼ100%に達する。

ABSTRACT

Production of a GeV photon beam by laser backward-Compton scattering has been playing an important role as a tool for nuclear and particle physics experiments. Its production techniques are now established at electron storage rings, which are increasing worldwide. A typical photon intensity has reached $\sim$ 10 $^6$ sec$^{-1}$. In the present article, the LEPS beamline facility at SPring-8 is mainly described with an overview of experimental applications, for the purpose to summarize the GeV photon beam production. Finally, possible future upgrades are discussed with new developments of laser injection.

研究の動機と目的

• 電子アンプルスリングにおけるレーザー反転コンプトン散乱を用いたGeV級光子ビームの最新生成技術を要約すること。
• これらのビームが核物理学および素粒子物理学における実験的応用、特にハドロン分光およびメシック核系に与える応用を提示すること。
• ハドロンビームと比較して、光子ビームがハドロン相互作用を調べる上で示す利点（高い偏光度、ヘドロン的汚染の最小限化）を評価すること。
• 将来のアップグレード、特にレーザー光ビームの形状調整およびより高エネルギーの光子生成を含め、グルーオン、ハイブリッド状態、および charmium 状態の研究を可能にするための展望を議論すること。

提案手法

• 高エネルギー電子ビーム（数GeV）と集光されたレーザー光ビームを正面衝突幾何学で衝突させることで、GeV級の光子が生成される。
• 光子エネルギーは、電子エネルギー、レーザー光子エネルギー、およびローレンツ因子によって力学的に決定され、最大エネルギーは $ k_{\text{max}} \approx \frac{4E_e^2 k_{\text{laser}}}{m_e^2 + 4E_e k_{\text{laser}}} $ で与えられる。
• コンプトン端における電子スピン反転振幅の抑制により、レーザーの偏光がほぼ100%の割合で逆散乱光子に転送される。
• 湾曲磁石内に設けられたセグメント化された検出器を用いて再び発生する電子をタグ付けすることで、散乱光子エネルギーを高分解能で決定する。
• 円筒形および通常のビーム拡張器を用いたレーザー光ビームの形状調整により、楕円形ビームプロファイルが得られ、ビームウエストサイズが小さくなり、エネルギー密度が向上する。
• 将来のアップグレードでは、多層膜ミラーを用いたX線再注入技術を検討し、SPring-8で7.4 GeVを超える光子エネルギーを達成することを目的としている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてレーザー反転コンプトン散乱が、核物理学および素粒子物理学に適した高エネルギー・偏光光子ビームを生成できるのか？
• RQ2 GeV級光子ビームがハドロン構造およびメシック核を研究する上で、ハドロンビームと比較して示す主な利点は何か？
• RQ3 レーザー光ビームの形状調整が、ビームウエストおよびエネルギー密度という観点から、コンプトン散乱の性能にどのように寄与するのか？
• RQ4 現在の能力を超えて光子ビームエネルギーおよび強度を拡張する際の技術的・物理的制限要因は何か？
• RQ5 将来的なアップグレード、例えばX線再注入や短波長レーザーの導入により、グルーオンやcharmium状態の研究がどのように可能になるのか？

主な発見

• SPring-8におけるレーザー反転コンプトン散乱により生成されたGeV級光子ビームは、電子ビーム電流が100–350 mAの範囲で、最大で約10⁶ sec⁻¹のビーム強度に達する。
• 電子スピン反転振幅の抑制により、コンプトン端における逆散乱光子の偏光度はほぼ100%に達する。
• 円筒形拡張器を用いたレーザー光ビームの形状調整により、垂直方向のビームウエストが半分に縮小され、ピークエネルギー密度がほぼ2倍に向上する。
• ビーム形状調整により、レーザーのレーザー範囲（有効相互作用長）が短くなるが、これは長距離非回折ビームを用いることで補償可能である。
• 将来のアップグレードとして、SPring-8におけるX線再注入技術の導入により、7.4 GeVを超える光子エネルギーを達成可能となり、テンソル型グルーオンおよびJ/ψ光生成反応の研究が可能になる。
• LEPS2ビームラインは、レーザー注入および検出器システムのアップグレードを経て、2012年にコンmissioningを開始し、2013年に完全な物理運用を開始する予定であり、精度とカバー範囲が向上する。