E16 実験における KK 対測定の検討

理研・先端中間子研究室佐久間　史典

physics motivation (f パズルについて ) KEK-PS E325 実験での KK 対測定とその

結果 J-PARC E16 実験での KK 対測定 まとめ

新学術領域「多彩なフレーバーで探る新しいハドロン存在形態の包括的研究」 キックオフ会議 @ 名古屋大学 2009/11/27-28

2

Physics Motivation

3

Vector Meson, f

f : T.Hatsuda, S.H.Lee,Phys. Rev. C46(1992)R34.

r0:normal nuclear density

予想される質量の減少 20-40MeV/c2 @ r=r0

狭い崩壊幅 (G=4.3MeV/c2) 質量スペクトラムの変化に敏感

小さい崩壊 Q 値 (QK+K-=32MeV/c2) f 又は K が核物質効果を受けること　によって、崩壊比が変化する可能性

K+K-

threshold

非常に簡単な例として、f の質量が減少

GfK+K- は小さくなるK の質量が減少

GfK+K- は大きくなる

K : H.Fujii, T.Tatsumi,PTPS 120(1995)289.

f mass

4

Vector Meson, fJ.D.Jackson, Nuovo Cimento 34, 1644 (1964).

3* *0 0 0

*2 2

2 20 0

/

4

4

K

K

q q m m

q m m

q m m

mf が変化

3*0 0

2 * 20

2 20 0

/

4

4

K

K

q q

q m m

q m m

mK が変化

f mass

K mass

G*/

G0

G*/

G0

5

f Puzzle

theoretical predictions− D.Lissauer and V.Shuryak, PLB253,15(1991).

− P.-Z. Bi and J.Rafelski, PLB262,485(1991).

− J.P.Blaziot and R.M.Galain, PLB271,32(1991).

− etc.

G*(fKK)/G*(fll) の増加

G*(fKK)/G*(fll) の減少

G*(fKK)/G*(fll) の増加

PLB262,485(1991).

G*(fll)/G0(fll)

density (rCR/r0)

核物質中での f または K のスペクトラル関数の変化によって、 fll/KK の崩壊幅が変化するのではないか ?

J.Phys.G27,355(2001).

mt-m0 (GeV)

dN

/mtD

ydm

t

fK+K-

fm+m-

NA49/NA50@CERN-SPS– PLB491,59(2000).; PLB555,147(2003).;

J.Phys,G27,355(2001).– fK+K-/m+m-, 158AGeV Pb+Pb– production CS’s are inconsistent

NA49/NA50

6

f Meson Measurements

CERES(NA45)@CERN-SPS– PRL96,152301(2006).– fe+e-/K+K-, 158AGeV Pb+Au– production CS’s are consistent

PHENIX@BNL-RHIC– EPJ,A31,836(2007).– fe+e-/K+K-, sqrt(sNN)=200GeV Au+Au– production CS’s are consistent

NA60@CERN-SPS– NPA830,753c(2009).– fm+m-/K+K-, 158AGeV In+In– production CS’s are consistent

Hot Matter

Cold Matter

CERES

E325@KEK-PS– PRL98, 152302(2007).– f e+e-/K+K-, 12GeV p+C/Cu

NA60

PRL96,152301(2006).

NPA830,753c(2009).

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KEK-PS E325 実験での KK 対測定

8

KEK-PS E325 ExperimentMeasurements

12GeV p+Ar,w,f+Xe+e-,K+K- の不変質量分布

原子核内で崩壊する確率が大きい 2GeV/c 程度の遅い

ベクター中間子を測定

12GeV

proto

n

B

Front Gas Cherenkov

Rear Gas Cherenkov

Forward LG Calorimeter

Rear LG Calorimeter

Side LG Calorimeter

Barrel Drift Chamber

Cylindrical DC

Vertex DC

Hodoscope

Aerogel Cherenkov

Forward TOF

Start Timing Counter

1m

/r we+e- : PRL, C96, 092301 (2006).fe+e- : PRL 98, 042501 (2007).,w fe+e-- a : PR, C74, 025201 (2006).

fe+e-K+K-- a : PRL 98, 152302(2007).

9

Kaon ID

To trigger kaons, AC (n=1.034) was used p,K threshold = 0.53,1.88 GeV/c

pion rejection of AC ~ 1x10-2

@ 1.4GeV/c, threshold = 1.1p.e.

AC eff. for p(mom. dep.)

AC eff. for p(vertical pos. dep.)

AC eff. for p(mom. dep.)

AC eff. for p(vertical pos. dep.)• 12.5cm Aerogel

• 5 inch PMT (H6527)

10

Kaon ID (Cont’d)kaon ID cutposition matching in TOF counterswithout hits in AC TOF cutmass square cutmomentum < 1.9GeV/cK+ and K- in one arm

momentum dist.

mass square vs. momentum (w/ AC veto)

- charge

TOF resolution ~ 400ps

kaon purity (%) K+ : 93.4 +/- 3.4 +/- 0.6 K- : 91.7 +/- 3.7 +/- 0.5 K+K- : 85.6 +/- 4.7 +/- 0.7

Kaon ID efficiency (%) fK+K- : 87%

+ charge

11

fK+K- Invariant Mass Spectra

2001 run data

C & Cu targets

acceptance uncorrected

fit with– simulated mass shape of f– combinatorial background

obtained by the event mixing method

(1020) f

coun

ts/4

MeV

/c2

C

examine the mass shape as a function of bg

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Fitting Results of fK+K-

bg<1.7 (Slow) 1.7<bg<2.2 2.2<bg (Fast)

Lar

ge

Nu

cleu

sS

mal

l N

ucl

eus

質量スペクトラムの変化は統計的に有意ではない

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Kinematical Distributions of observed f

検出器のアクセプタンスがe+e- と K+K- で異なる

fe+e- で質量スペクトラムの変化が見られた bg<1.25 において、 fK+K- の統計は非常に限られる

fK+K- で変化が見えないことは fe+e- の結果と矛盾しない

注 : fK+K- は 3 倍してある

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GfK+K-/Gfe+e- and Nuclear Mass-Number Dependence a

afK+K- は afe+e- より大きくなるこの a の違いは、遅く動く f 中間子において顕著に

なる

1 2

1 21 2

ln ln

K K e e

K K K K

e e e e

N A N AA A

N A N A

(A1>A2)

0A A

大きな syst.err. により、 e+e-/K+K- の微妙な cross-section の違いは見づらい

大部分の syst.err. はターゲットにかかわらず共通 原子核依存性 a を用いる事により、 syst.err. からの影響を減らす事が出

来る

GfK+K-/Gfe+e- が原子核中で大きくなる場合を考える

測定される NfK+K- /Nfe+e- が大きくなる大きな原子核において、このような効果が大きく

なる

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Results of Nuclear Mass-Number Dependence a

averaged value (0.14+/-0.12)

bg

bg

rapidity pT

Da = -K+K- corrected

e+e-

K+K- アクセプタンスへ補正した ae+e-=

afK+K- は afe+e- よりも大きく、 bg が小さいほど差が大きい様に見える…

afK+K- と afe+e- は統計の範囲で一致

16

E325 実験での KK 対測定の問題点①e+e- と K+K- でアクセプタンスが大きく異なる

② 統計が少ない

event-pattern の選択に改善の余地有り !

KK-trigger の改善の余地有り !

fe+e- fK+K-

double-arm event を選べばこのあたり

1st-level: 58k/spill 1/50 pre-scale 0.8k/spill 2nd-level: 0.5k/spillAC-veto & matrix-coincidence Kaon-mass trigger

最終的には 2x108 event の KK-trigger (~1 month, ee/KK-tirgger) ~5k の K+K- 、 ~1.3k の fK+K-

E16 実験にてこれらの問題を克服する必要がある !!!

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J-PARC E16 実験でのKK 対測定

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Forward Kaon Spectrometer

segmented STC (w/ fine-mesh PMT)

AC(n=1.034) w/ SiAPD or fine-mesh PMT+ TOF counter (RPC or plastic-scintillator)

+15

-15

+15

-15+45 -45

+15

-15

+15

-15+45 -45

贅沢 version( 計算はしていないが… )

e+e- acceptance

K+K- acceptance

LG と HBD の間の狭いスペース(~10cm) にどう入れるのかが鍵と

なる

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fe+e-/K+K- acceptanceSimple Monte-Carlo Study30GeV/c proton + Copperw/o detector effects, kaon decay

− generated− e-accepted (double-arm)− e-accepted (single-arm)

y(CM)

pT

(LAB)

bg(LAB)

pt vs. y

− generated− k-accepted (opposite-side) e.g. 1&3− k-accepted (same-side) e.g. 1&1− k-accepted (neighbor-side) e.g. 1&2

1

3

24fe+e- fK+K-

y(CM)

pT

(LAB)

bg(LAB)

pt vs. y

KKx10eex3

20

fe+e-/K+K- acceptance (Cont’d)

y(CM)

pT

(LAB)

bg(LAB)

pt vs. y

2 つのセクションで K を要求することによって、 fe+e-/K+K- のアクセプタンスをある程度そろえることが出来る ( 青 / 緑 )

− e-accepted (double-arm)− e-accepted (single-arm)

− k-accepted (opposite-side)− k-accepted (same-side)− k-accepted (neighbor-side)

fe+e-

double-armfK+K-

neighbor-side

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E325 と同じ、 n=1.034 を使用AC 厚み : ~3cm--.SiAPD, ~10cmPMT60x60cm を下記のように 10x2 分割

index=1.034

6cm

30c

m

SiAPD (S8664) or fine-mesh PMT

調べること長手方向 30cm で本当に読み出せるか ?どれくらいの photo-electron 稼げるか ?だめなときは 6x15cm 程度に小分け (10x4 分割 ) して、裏から読み出せるか ?

space の都合上 SiPAD を用いる ( 要温度調整機構 )

integration range :300-800nm

index=1.034

Aerogel Cherenkov Counter

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KK-trigger

slow-pion と fast-pion の組み合わせなどで、 AC が鳴らない K と誤

認する

ACTOF

GEM

fast-pion

slow-pion

target

fake-kaon

Monte-Carlo を用いた定量的な study を始めたばかり。

KK-trigger は難しいが、 E325 と同レベルの物(trigger, 統計 ) でもアクセプタンスの改善により楽しい物理は引き出せる !!!

pointどれだけ BG を落とせるか ?2nd-level を用いないで”賢い”

KK-trigger を作れるか ?

Trigger SchemeGEM-tracker 中層の hit情報

と、 AC/TOF で matrix を組む2 つのセクションで K を要求 reduction of miss-trigger(ee-trigger は基本 double-arm)

もちろん proton と 500MeV/c以下の pion は純粋に BG!

Background

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まとめ

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Summary

J-PARC E16 実験は通常原子核密度下における中間子質量への核物質効果を検証する目的で行われる。

E16 の先行実験である KEK PS-E325 では、 fe+e-/K+K- でそのアクセプタンスが大きく異なったために、通常原子核密度下での” f パズル”を解き明かすヒントを得るにとどまった。

E16 実験に新たに K+K- スペクトロメーターを組み込み、 fe+e-/K+K- のアクセプタンスをそろえた上で、引き続き通常原子核密度下での” f パズル”の探求を行う。

申請している課題研究においてはエアロゲル検出器のプロトタイプ開発効率の良い K+K--trigger開発

の 2 点に絞って研究を進めていく。

25

26

Backup

27

KK-trigger Scheme① TOF(r=120cm) に hit が有り、直前の AC に hit が無いパターンを探す

② GEM-tracker2層目 (r=40cm,横方向に 10 分割 ) の hit を探し、そのhit-segment の差 diff を求める

③ このとき diff の符号により chargeを求める

④ 2-section で以上の hit を要求し、さらに charge が +/-両方あることを要求する

1 10

kaoncandidate

diff=1- charge

TOFAC

GEM2

2-section で kaon-candidate+/- 両方あること

B

JAM (nuclear cascade code)を用いた　　 30GeV/c p+Cu reactionでは、 4x10-3 の event rejection-power を確認 106 interaction で 4x103

trigger

Mo

me

ntu

m [

GeV

/c]

diff (TOF-GEM2) [deg]

28

Discussion on GfK+K- and Gfe+e-

崩壊幅の変化の上限を導く

A) GfK+K- と Gfe+e- が核物質中で変化すると、 Da が変化する部分崩壊幅が変化したときの Da の変化を計算し、データ(Da=0.14+/-0.12) と比較することにより、 G*fK+K-/G*fe+e- の上限を求めることが出来る

理論予言10 倍程度までの broadening (Klingl, Kaiser & Weise など )

B) e+e- のデータが示唆するように、核物質中で Gf が増えると f中間子のピークの左側に excess が見えるはずであるK+K- スペクトラムを e+e-解析と同様に解析することによりexcess の数の上限値を出し、 G*f の上限を求めることが出来る

2 つの手法を用いて上限を求めていく

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計算から予想される Da

Discussion on GfK+K- and Gfe+e-

部分崩壊幅の核物質中での broadening の上限値が、実験的にはじめて得られた

* 0tot 0

* 00

* 00

1 ,

1 ,

1

KK K K K

ee e e e

k

k

k

totk ~kK

核内での崩壊幅は密度に比例して変化すると仮定

Gf の変化率が GfK+K- と等しいと仮定

前述の A),B) により (ke,KK)平面に 2本の上限の線を引くことが出来る

測定した DaK+K- スペクトラムから得た kKG*/G<0 な領域を除くようにリノーマライズして得た 90%C.L.

30

Kaon Re-scattering from KaoS Results

J.Phys. G27 (2001) 275.

KaoS experiment at SIS/GSIC+C, Ni+Ni, Au+Au, 1.5A GeV

K- の absorption-ratio は原子核の大きさによって異なるはずなのに、 data はほぼ一定の値 !(mean free path of K- = 1.5fm)

geometrical-model によると、 Au は Cに比べ、 K-NYp(Y=L,S) は 10 倍以上大きい

もし、 K- の effective-mass が小さくなると、上述の process は suppress される

つまり、核物質効果によって” K- のeffective-mass が小さくなった結果”

K- production が enhanceK- absorption が suppress

されていると考えられる

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Kaon Absorption / Rescattering from JAM Study

12C

63Cu

[K+ or K- absorbed] / [all fK+K-]12C :: 1.4%63Cu :: 4.2%

[K+ or K- rescattered] / [all fK+K-]12C :: 1.3%63Cu :: 1.5%

small effect on the mass shape

No detector effects— all— w/ rescattering before— w/ rescattering after

invariant mass [GeV/c2]

invariant mass [GeV/c2]small effect on a (da=-0.02)

32

Consistency Check for a

bg rapidity pT

●fe+e-

○fK+K-

★fe+e- PRC,74,025201(2006).＊ fe+e- (JAM)＊ fK+K- (JAM)

33

fK+K-

Gtot C Cu

X1 0.01 0.03

X11 0.08 0.21

X21 0.14 0.33

x41 0.22 0.46

w/o detector acceptance

Inside-Nucleus Decay (=at r/r0>0.5) Probability for f

Gee x1 Gee x11

C Cu C Cu

0.01 0.03 - -

0.01 0.03 0.08 0.21

0.01 0.03 0.08 0.21

0.01 0.03 0.08 0.21

fe+e-

34

Da for Mass-Shifted fJ.D.Jackson, Nuovo Cimento 34, 1644 (1964).

3* *0 0 0

*2 2

2 20 0

/

4

4

K

K

q q m m

q m m

q m m

mK が変化しないと仮定

f mass

0 00.03* 1 4m m from fe+e-, PRL,98,042501(2007).

mK が変化しないと仮定

mod. mass<2mK のとき、 fK+K- がsuppress されると仮定

Da = -0.02f-mass=BW

元々の核内崩壊率が低いために、小さな値

[K-acceptance]

35

Acceptance Correction for a

values of mean & RMS for each bin

divide e+e- data into 3x3

bins in the y-pT plane

fit the data with the linear function

extrapolate afe+e- for the kaon acceptance

bg bg

bgslice

assumption : afe+e- is linearly dependent on the y-pT plane in

our detector acceptance

36

a in overlapped acceptance

fe+e- : a=0.91+/-0.10+/-0.01fK+K- : a=1.10+/-0.09+/-0.02

Da=0.18+/-0.14

afK+K- と afe+e- は統計の範囲で一致

SiAPD Hamamatsu S8664

~80%