[論文レビュー] Measurement of the Spin-Dependence of the pbar-p Interaction at the AD-Ring

C. Barschel, U. Bechstedt+107 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、CERNのADリング内での偏極水素ガス標的によるスピンフィルタリングを用いて、50–450 MeVのエネルギー領域における反陽子-陽子（p̄p）反応におけるスピンに依存する全断面積σ₁およびσ₂の測定を初めて提案する。この手法により、保存された反陽子の偏極度の増幅が可能となり、将来のFAIRにおける光度>10³¹ cm⁻²s⁻¹の二重偏極p̄p衝突実験と、陽子の横断的偏極や電磁形式因子といった主要なQCDスピン観測量へのアクセスが可能になる。

ABSTRACT

We propose to use an internal polarized hydrogen storage cell gas target in the AD ring to determine for the first time the two total spin-dependent pbar-p cross sections sigma_1 and sigma_2 at antiproton beam energies in the range from 50 to 450 MeV. The data obtained are of interest by themselves for the general theory of pbar-p interactions since they will provide a first experimental constraint of the spin-spin dependence of the nucleon-antinucleon potential in the energy range of interest. In addition, measurements of the polarization buildup of stored antiprotons are required to define the optimum parameters of a future, dedicated Antiproton Polarizer Ring (APR), intended to feed a double-polarized asymmetric pbar-p collider with polarized antiprotons. Such a machine has recently been proposed by the PAX collaboration for the new Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) at GSI in Darmstadt, Germany. The availability of an intense stored beam of polarized antiprotons will provide access to a wealth of single- and double-spin observables, thereby opening a new window on QCD spin physics.

研究の動機と目的

• 50–450 MeVの反陽子エネルギー領域における二つの全スピン依存p̄p断面積σ₁およびσ₂を、初めて測定すること。
• 内部に偏極水素ガス標的を設けたスピンフィルタリングを用いて、保存された反陽子の偏極度の増幅を実証すること。
• 将来のFAIRにおけるアンチ陽子偏極リング（APR）の設計に不可欠な入力データを提供すること。
• 光度が10³¹ cm⁻²s⁻¹を超える二重偏極非対称p̄p衝突実験をFAIRで実現可能にする。
• 陽子の横断的偏極や電磁形式因子を含む、基礎的QCDスピン観測量への新たなアクセスを開くこと。

提案手法

• ADリング内に内部に偏極水素（または重水素）ガス標的を設置し、保存された反陽子のスピンフィルタリングを誘発する。
• 反陽子の偏極度増幅速度を測定することで、スピン依存p̄p断面積σ₁およびσ₂を評価する。
• ブライト＝ラビ偏極計および標的ガスアナライザーを導入し、標的の偏極度とビームの偏極度を現地でモニタリングする。
• ADの電子クーラーを300 keVまでアップグレードし、450 MeVまでの反陽子ビームエネルギーで電子冷却を可能にする。
• σ₂の測定に適した、縦方向スピンの安定化を実現するため、ADリング内にソレノイド型シベリアンスネークを設置する。
• 標的な横方向および縦方向の偏極状態を切り替えることで、σ₁およびσ₂を別々に決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50–450 MeVのエネルギー領域における二つの全スピン依存p̄p断面積σ₁およびσ₂の値は何か？
• RQ2 内部に偏極ガス標的を設けたスピンフィルタリングが、450 MeVまでのビームエネルギー領域で、保存された反陽子を効率的に偏極化できるか？
• RQ3 この手法を用いたADリング内での反陽子の偏極度増幅速度は何か？また、標的の偏極度とビームエネルギーにどのように依存するか？
• RQ4 ADリングを450 MeVまで電子冷却を可能にするようアップグレードすることで、スピンフィルタリング中の多次散乱補償を効果的に行えるか？
• RQ5 将来のAPRが、FAIRにおける二重偏極p̄p衝突実験に、約15％の偏極度を持つ反陽子ビームを供給するために必要なパラメータは何か？

主な発見

• 提案手法により、従来の二次的偏極ビームと比較して、少なくとも10桁以上高い強度の偏極反陽子ビームが得られると予想される。
• 既存のAD電子クーラーを用いて、30〜70 MeVのビームエネルギー領域で、横方向標的偏極を用いた偏極度増幅研究が可能である。
• 450 MeVまでのエネルギー範囲をカバーし、完全なスピンフィルタリング測定を可能にするためには、電子クーラーの300 keVへのアップグレードが不可欠である。
• σ₂の測定に適した、ビームスピン方向の安定化を実現するため、シベリアンスネークの設置が不可欠である。
• 横方向偏極を用いたフェーズ3の測定には、2012年に6週間のビームタイムが必要と予想される。
• 縦方向偏極とシベリアンスネークの完全な起動を含むフェーズ7の測定には、2014年に8週間のビームタイムが必要と予想される。