物理学コロキウム第一　　 2003.7.4

‘An Investigation of The Spin Structure of The Proton in Deep Inelastic Scattering of Polarised Muons on Polarised Proton’

偏極ミューオンと偏極陽子の深非弾性散乱実験による陽子のスピン構造の研究

The European Muon CollaborationJ. Ashman et al.

物理学科　柴田研究室99-0508-5 岡浩喜

【内容】１．背景２．原理３．実験４．結果５．まとめ

Nuclear Physics B328 (1989) 1-35

１．背景

陽子のスピン

(1/2) クォークのスピン (1/2)クォークのスピン (1/2)2

1

2

1

2

1

2

1 ?

６０年代以降の実験により、核子は点状の荷電粒子からなる内部構造を持っていることと、その点状の構成要素（パートン）のスピンが 1/2 であることがわかっていた。

電荷を持つパートンはクォークである。陽子は３つのクォーク（２つのｕクォークと１つのｄクォーク）で構成される。

陽子のスピン 1/2 を担うのは構成子であるクォークか？

２．原理深非弾性散乱

ミューオンと陽子を構成するクォークとの（弾性）散乱

ミューオンが偏極していればそこから出る仮想光子も偏極する。（角運動量の保存）

陽子側で光子を吸収するのは電荷を持つ構成子であるクォークである。

μ

γ陽子

クォーク

μ(1/2)

(1/2)

(1) *

電磁相互作用による散乱であって、ミューオンは仮想光子（　 ）を交換して散乱する。

*γ

陽子のスピンとクォークのスピンに関係があるならば、散乱断面積に差が出る。

23

21

23

21

23

21

23

21

1ANN

NN

仮想光子を吸収できるのは仮想光子のスピンと反平行なスピンを持つクォークである。

21

23

*γ

スピン (1)

陽子スピン

本実験では非対称度

を測定する。

*γ

スピン (1)

陽子スピン

ＣＥＲＮ ＳＰＳの陽子ビームによってパイオンを作り、その崩壊から得られるミューオンをビームとして用いる。

３．実験

μEミューオンビームのエネルギーは ＝ 100, 120, 200 GeV である。

ＣＥＲＮ ＳＰＳ配置図

偏極ミューオンビームと偏極陽子ターゲットの深非弾性散乱

ＥＭＣ実験

ＳＰＳ（超大型陽子シンクロトロン）

リニアックＰＳ

ＰＳＢ

0１ｋｍ

１ｋｍ

北実験区域

実験の検出器

μ

偏極ミューオンビーム

偏極アンモニア標的

Spectrometer magnetic

各種検出器

吸収体

•偏極アンモニア標的のセルは二つ。•偏極は逆向きなので、同一のビームで非対称度を出せる。

４．結果

実験から得られた非対称度は全体として正の値 を示している。

23

21

23

21

p1A

これより、クォークスピンの和は陽子スピンに対して正の寄与をしているとわかる。

23

21 ∴

すなわち、陽子と平行のスピンを持つクォークのほうが多い。

x x：ブジョルケンの（陽子の全運動量に対するクォークの運動量の割合）

しかし、この結果からクォークスピンの和を求めると、 5.0069.0047.0060.0

quarkszs となる。

したがって、陽子のスピン 1/2 に対するクォークスピンの寄与は （ 12±9±14 ）％である。

391.0uzs

236.0d

zs

095.0s

zs

各クォークのスピンの和（誤差は ±0.016±0.023 ）

- 0.4

- 0.3

- 0.2

- 0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

スピ

ン

陽 子スピン

u

ds

合計

各クォークの寄与

５．まとめ

現在も、クォークのスピンの寄与を求める実験やグルーオンスピンの寄与を求める実験が CERN, SLAC, DESY, BNL, JLab など世界の主要な研究所でで行われている。

核子スピン ＝ クォークスピンの和 ( 寄与はわずか ) ＋グルーオンスピンの和 　　　　　 ＋ クォーク軌道角運動量　　　 　　 ＋グルーオン軌道角運動量

CERN で偏極ミューオンビームと偏極陽子標的を用いた深非弾性散乱の実験が EMC によって行われた。その結果、クォークのスピンは陽子のスピンに対し正の寄与をしていることが確認された。しかし、陽子スピンに対するクォークスピンの寄与はわずかであることがわかった。

・

・

・

解析の手法

23

21

23

21

1

A の実験値から x

FAg 2

11 をもとめる。 MQ

x2

2

xが０～１の範囲で積 分すると、

083

1

0 1 233

8331

3

22

3

11

12

1a

f

faadx ss

p

g

83 ,aa は既知の値であるので

sdua 3

20

が求まる。

0quarks 2

3

2

1asz

磁場をかけるとスピンによるエネルギー状 態は二つに分かれる。電子と陽子の ペアを考えると４つのエネルギー状 態に分かれる。

e p

eh

ph

peh 電子は 即座に偏極

| ↓↑>

| ↑↑>|↑↓ >

| ↓↓>

peh のマイクロ波を照射すると |↑↓ > と | ↓↑>

が共鳴する。

陽子のスピンが 下向きにそろう

電子は 即座に偏極するが陽子は磁気モーメントが 小さいためほとんど偏極しない。

標的の偏極・ ＤＮＰ（ dynamic nuclear polarisation ）

ターゲットにアンモニアを 使う理由手に入る物質の中で最も多く水素を含んでいた。本実験では自由陽子による散乱か 束縛された核子による散乱かは判別できない。

f

アンモニアの 場合は17

3f である。

標的の偏極は dilution factor 全核子自由 陽 子

f によって修正する

なるべく大きな　　になる分子がよかった。

ミューオンの偏極

パイオンは と崩壊する。

この際２体崩壊なので２粒子は反対 方向に放出される。また、パイオンのスピンは０なので、２つの レプトンのスピンは互いに反対 方向を向いている。ここで、ニュートリノのヘリシティーは決まっているのでこのこの 場合はヘリシティー 1/2 の崩壊の みが許される。

これにより、パイオンのエネルギーと得られるミューオンのエネルギーをうま く選んでやると、縦偏極したミューオンビームが 取り出せる。