[論文レビュー] Study of in-medium mass modification at J-PARC

K. Aoki|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、$p+A$反応における高統計的・高分解能の二重電子対分光法を用いて、核物質中におけるベクトルメソン、特に$φ$メソンの媒体中質量補正を研究するJ-PARC E16実験を提案する。KEK E325に比べ100倍の統計量と5 MeV/$c^2$の改善された質量分解能を実現し、$φ$の不変質量スペクトルに二重ピーク構造を検出することを目的とし、核物質中における質量シフトおよび分散関係の直接的証明を提供する。

ABSTRACT

Study of in-medium mass modification has attracted interest in terms of the restoration of the spontaneously broken chiral symmetry, which is responsible for the generation of hadron mass. Many experiments were performed to measure in-medium property of hadrons but there is no consensus yet. J-PARC E16 has been proposed to study in-medium property of vector mesons via dilepton decay channel. The status of spectrometer R \& D is explained. Other related experiments planned at J-PARC are also introduced.

研究の動機と目的

• ベクトルメソン、特に$φ$メソンの媒体中質量補正を、核物質中におけるスピン対称性の回復のプローブとして調査すること。
• 先行実験でベクトルメソンの質量が高密度核環境で低下するかどうかの合意が得られていない問題を解決すること。
• KEK E325に比べ100倍の統計量と2倍の良好な質量分解能を達成することで、先行実験の限界を克服すること。
• 媒体中効果の系サイズ依存性を測定し、核物質中における$φ$メソンの分散関係を抽出すること。
• 二重ピーク構造を用いて、媒体誘起質量シフトの明確な証拠を提供すること。

提案手法

• 30 GeVプロトンビームをCH$_2$、C、Cu、Pb標的に照射し、$p+A\rightarrow\rho/\omega/\phi+X$反応によってベクトルメソンを生成する。
• ベクトルメソンの崩壊から生じる二重電子対（$e^+e^-$）を検出する。これは最終状態相互作用に依存しないため、媒体中での正確な質量測定が可能である。
• CsI被膜を施したGEMを用いた高帯域幅検出器（HBD）を備えた高精度分光計を採用し、電子の識別とミューオンの遮断を実現する。
• クラスターサイズ解析を適用することで、ビーム試験で80％の電子効率を達成しつつ、100倍のミューオン遮断率を実現する。
• 1モジュールあたり600×600 mm$^2$のモジュラーHBD設計を採用し、4枚の300×300 mm$^2$フォトカソードを備えることで、高い検出効率を確保する。
• 当初は全検出器設計の1/3から開始し、2016年度のJFYから全スケールの構築と物理走行を予定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核物質中における$φ$メソンの質量は低下するのか？もしそうなら、常温核密度下でどの程度の低下が予想されるか？
• RQ2 $φ$の不変質量スペクトルに二重ピーク構造が観測可能か？これは、媒体中質量分裂または束縛状態の存在を示唆する。
• RQ3 $φ$メソンの媒体中質量シフトは、核標的のサイズおよび密度にどのように依存するか？
• RQ4 核物質中における$φ$メソンの分散関係は何か？理論的予測と比較するとどうなるか？
• RQ5 観測された質量補正は、QCD和則に基づくスピン対称性の回復によって一貫して説明可能か？

主な発見

• KEK E325実験では、常温核密度下で$φ$メソンの質量が3.4％減少（$k=0.034^{+0.006}_{-0.007}$）し、幅が2.6倍に広がった（$k_2=2.6^{+1.8}_{-1.2}$）ことが観測された。
• ρ/ωメソンに関しては、共通の質量シフトパラメータ$k=0.092\pm0.002$が抽出され、QCD和則の予測と整合的であった。
• E16実験は、100倍の統計量と5 MeV/$c^2$の質量分解能を実現することで、これらの結果を確認し、微細なスペクトル構造の検出を可能にする。
• 実験では、$φ$不変質量スペクトルに二重ピーク構造が観測されると予想され、これは媒体中質量分裂または束縛状態の存在を示唆する。
• ビーム試験で、プロトタイプHBDを用いたクラスターサイズ解析により、100倍のミューオン遮断率と80％の電子効率が確認された。
• 全検出器設計は段階的に製作が進められており、1/3の全構成を使用した最初の物理走行は2016年度のJFYに予定されている。