2014年 5月16日 基礎物理学コロキウム
HERMES実験における偏極深非弾性散乱を用いたクォーク・スピン測定
柴田研究室 14M01212 宮﨑 拓人
核子のスピン構造
HERMESスペクトロメータ
FIEL D C L A MP S
クォーク模型による予想
TRIGGER HODOSC OP E H1
m
DRIFT C HA MB ERS
2
・核子は基本的に3つのクォークから成る
・核子もクォークもスピンが1/2
2つのクォーク・スピンが核子と平行
陽子のスピン
1つのクォーク・スピンが核子と反平行
P RESHOWER (H2)
DRIFT
C HA MB ERS
1
27.6 GeV
140 mrad
FC 1/ 2
P ROP .
C HA MB ERS
L UMINOSITY 27.5 GeV
0
beam
しかし、EMC実験の結果
陽子のスピンに対するクォーク・スピンの寄与はたいへん小さい
MONITOR
TA RGET
C EL L
-1
HODOSC OP E H0
B C 1/ 2
140 mrad
B C 3/ 4
STEEL P L A TE
TRD
C A L ORIMETER
RIC H
-2
つまり、陽子のスピン1/2は
e+
MC 1- 3
MA GNET
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 m
縦偏極した27.6 GeVの陽電子(電子)ビームを
縦偏極した気体標的(水素、重水素)で散乱
・ドリフトチェンバーにより粒子の飛跡を測定
・マグネットにより曲率から粒子の運動量を測定
・4種類の検出器(TRD、 preshower、カロリーメータ、RICH)により粒子を識別
深非弾性散乱(DIS)過程の散乱断面積を測定し、構造関数1 を導く
偏極深非弾性散乱(DIS)過程
核子のスピン構造を研究
・レプトンと核子の散乱
・レプトンと核子が仮想光子を交換(電磁相互作用)する
・核子の内部構造を探る有効な手段
HERMES実験
1次モーメントの導出
 
:レプトン   :固定標的
2
2
≡
=
( 2 ≡ − 2 )
2 ∙  2
Bjorken スケーリング 変数
0.9
・重陽子の統計精度が高い
・ ≤ 0.05以下で変化が小さい
・0.9 <  ≤ 1の領域の積分も考慮

  +   →  ´ ( ´ ) + X( )
1  
0.0041 ≤  ≤ 0.9 および 0.18 GeV 2 ≤  2 ≤ 20 GeV 2 で測定
微分散乱断面積
非偏極
縦偏極
2

,
 2  (,2 )
4 2
2
2
2
= 4 1 ,  ・ −
2



 2 LL (,2 )
8α2 

2 2
2
=
1
−
−


,

1
2
4
2
4
1
 = ↑↓ + ↑↑
2
1
 = (↑↓ − ↑↑ )
2

2
1− −
−
2 2

4
 2
 2
2
,  2
ビームスピンと標的核子のスピンが
反平行(↑↓)と平行(↑↑)の場合を表す
1 , 2 ・・・非偏極構造関数
重陽子の構造関数の
1次モーメント
+
フレーバーSU(3)対称性
||
∆Σ = 0.330 ± 0.039
陽子のスピンに対するクォーク・スピンの寄与
33%
1 , 2 ・・・縦偏極構造関数
2
構造関数の 依存性は対数的であるため弱い
1 ,  2 , 1 ,  2 ⇒ 1  , 1 

重陽子の構造関数1  の
x から 0.9 までの積分値
将来計画
Callan-Gross の関係式 22  = 1 
 ↑↓ − ↑↑
1 
=
スピン非対称度 A|| =
が得られる
1 
 ↑↓ + ↑↑
EIC ( Electron-Ion Collider )
・初めての衝突型の偏極深非弾性散乱実験
・ブルックヘブン国立研究所(BNL)と
・ジェファーソン研究所(JLab)で検討中
・電子と核子の偏極深非弾性散乱(DIS)実験
・および電子-重イオン散乱実験
クォーク・パートン模型
クォーク模型+パートン模型=クォーク・パートン模型
更に小さな  の領域の研究が可能
・ハドロンの内部にはパートンと呼ぶ点状の粒子がある
・高エネルギーでは、レプトンとパートンとの独立な反応の足し合わせ
構造関数とパートン分布関数
1
1  =
2 ()
2 
↑
↓
  =  + 
↑
1
1  =
2 ∆ ()
2 
↑
↓
∆  =   −  
↓
  、  ・・・陽子スピンに平行(↑)と反平行 ↓ な
クォークと反クォークの和
1
1
陽子()の場合 +
=
(8 ± 33 + 40 )
1次モーメント
中性子()の場合
−
36
0
0 = ∆ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆ ≡ ∆Σ
3 = ∆ + ∆ − (∆ + ∆)
クォーク・スピンの寄与
8 = ∆ + ∆ + ∆ + ∆ − 2(∆ + ∆)
,
1 ()
重陽子の構造関数の1次モーメントについても
0 、3 、8 の組み合わせで表せる
HERMES実験とHERAおよびEICの
運動学的領域の比較
HERMES実験において
測定可能な運動学的領域
まとめ
・核子のスピンは1/2であり、EMC実験において陽子スピンに対する
クォーク・スピンの寄与はたいへん小さいことが示された。
・深非弾性散乱(DIS)は、仮想光子を交換する電磁相互作用により
散乱する過程である。
・偏極深非弾性散乱を利用し、核子のスピンに対するクォーク・スピン
・の寄与を求める。
・HERMESは偏極深非弾性散乱実験である。
・HERMES実験では、 0.0041 ≤  ≤ 0.9 および 0.18 GeV 2 ≤  2 ≤ 20 GeV 2
の領域で測定され、陽子のスピンに対するクォーク・スピンの寄与は
33%であることが示された。
・将来計画としてEIC ( Electron-Ion Collider )が検討されている。
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