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液体ヘリウム標的を用いた液体ヘリウム標的を用いた(in-flight K(in-flight K--, N), N) 法による法によるKK 中間子原子核の探索中間子原子核の探索

藤岡　宏之藤岡　宏之andand

E549 groupE549 group

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How to make kaonic nuclei?How to make kaonic nuclei?

• (Stopped K(Stopped K--, N), N)• KEK-PS-E471/E549, FINUDAKEK-PS-E471/E549, FINUDA

• (In-flight K(In-flight K--, N), N)• BNL-AGS E930/KEK-PS-E548BNL-AGS E930/KEK-PS-E548

• (In-flight K(In-flight K--, π, π--))• Quasi-free Σ regionQuasi-free Σ region• Cf. BNL-AGS E905Cf. BNL-AGS E905

• (π, K(π, K++) )

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4He(K-, p)S0

SPES-II

(E471)

4

(E471)

4He(K-, π-)K-pppn

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Target choiceTarget choice

• BNL-AGS-E930 … BNL-AGS-E930 … 1616OO• KEK-PS-E548 … KEK-PS-E548 … 1212C, C, 1616OO• Stopped KStopped K-- ではでは A=2, 3A=2, 3 の少数系のデータの少数系のデータ

• J-PARC … J-PARC … 33He, He, 44HeHe, (CH, (CH22 for calibration?) for calibration?)

• 33He (KHe (K--, n) K, n) K--pp , pp , 33He (KHe (K--, p) K, p) K--pnpn

• 44He (KHe (K--, n) K, n) K--ppn , ppn , 44He (KHe (K--, p) K, p) K--pnnpnn

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Beam momentumBeam momentum

K1.8BR (ppp)

K1.1(ppp)

800MeV/c 0.27E6 0.46E6

850MeV/c 0.37E6 0.63E6

900MeV/c 0.49E6 0.83E6

950MeV/c 0.64E6 1.1E6

1000MeV/c 0.80E6 1.3E6

1050MeV/c 0.99E6 1.7E6

1100MeV/c 1.2E6 2.0E6

(K/π ratio) (6.8) (4.7)

ビームパラメータ ( 野海さん , 豊田さん )

Pulse : 3.53 sec (flat top : 0.7 sec)

素過程の cross section

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Experimental setupExperimental setup

K- from K1.8BR or K1.1Start counter

Aerogel Cherenkov(beam π veto)

Veto Counter

D magnet

neutron

proton

K- etc.

AC, LC, pTOF

nTOF (E549 14×8)

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Experimental setupExperimental setup

K- from K1.8BR or K1.1

Aerogel Cherenkov(beam π veto)

neutron

nTOF (E549 14×8)

Start counter

1.0 GeV/c 1.2 ~ 1.5 GeV/c

生成される kaonic nuclei は後ろ向きに300 ～ 400MeV/c の反跳を受ける。

15m

Missing-mass resolution~20MeV/c2 (FWHM)

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BackgroundsBackgrounds

• Elastic scattering, charge exchange reactionElastic scattering, charge exchange reaction• p(Kp(K--, p)K, p)K-- , n(K , n(K--, n)K, n)K--, p(K, p(K--, n)K, n)K00, p(K, p(K--, K, K00

LL)n)n

• Quasi-free hyperon productionQuasi-free hyperon production• p(K-, Λ)πp(K-, Λ)π00, n(K-, Λ)π, n(K-, Λ)π--, N(K, N(K--, Σ)π, Σ)π

• Two-nucleon absorption ?Two-nucleon absorption ?• KK-- + “pn” → Λ+n, Σ + “pn” → Λ+n, Σ00+n, Σ+n, Σ--+p+p

• Other backgrounds are in unbound region.Other backgrounds are in unbound region.

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Quasi-free hyperon productionQuasi-free hyperon production

KN→KNKN→KN

多分 π?signal が 10μb/srの場合、このバックグラウンドに対して 20ev程度。

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Background reductionBackground reduction

• Kaonic nucleiKaonic nuclei の崩壊に伴うの崩壊に伴う hyperonhyperon の検の検出出• HyperonHyperon は「ほぼ」等方的に放出される。は「ほぼ」等方的に放出される。

• Λ→p+πΛ→p+π-- : 2 : 2 粒子を検出粒子を検出• Σ→(n)+π : DCAΣ→(n)+π : DCA の大きなの大きな ππ を検出を検出

• Two-nucleon absorptionTwo-nucleon absorption で超前方に核子で超前方に核子が放出されたときには、が放出されたときには、 hyperonhyperon は後は後方に行き方に行き CDSCDS には入らない。には入らない。

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Λ distribution (signal)Λ distribution (signal)

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Λ distribution (background)Λ distribution (background)

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Cylindrical Detector SystemCylindrical Detector System

• Cylindrical Drift ChamberCylindrical Drift Chamber• 一番外側の一番外側の hodoscopehodoscope でで trigger, PIDtrigger, PID• (( 中性子、中性子、 γγ 線の検出線の検出 ?)?)• 中心から中心から 75mm75mm までは標的システムが入までは標的システムが入

る。る。• 側面はなるべく物質量が少なくなるように側面はなるべく物質量が少なくなるように• 200MeV/c 200MeV/c 以上の以上の proton,proton,

60MeV/c 60MeV/c 以上の以上の pionpion が外に到達できるが外に到達できる

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Momentum resolution of CDCMomentum resolution of CDC

福田 CDS

proton

pion

NEW CDS

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NEW CDSNEW CDS

• High momentumHigh momentum の陽子の分解能は、の陽子の分解能は、 LL22, , BB に逆比例するに逆比例する• 福田福田 CDS L=18.3cm CDS L=18.3cm L=30cm L=30cm

• 15cm + 30cm×2 + α (hodoscope, Z-chamber etc.)15cm + 30cm×2 + α (hodoscope, Z-chamber etc.)

• 12 layers (11 layers) 12 layers (11 layers) 15 layers or more? 15 layers or more?

• 今度は今度は multiple scatteringmultiple scattering の影響が無視の影響が無視できなくなってくるので、できなくなってくるので、 radiation lenradiation lengthgth の大きなの大きな chamber gaschamber gas を。を。

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9800

4000

750

600200

2000

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Λ acceptanceΛ acceptance

• 陽子の陽子の thresholdthreshold がが ΛΛのの thresholdthreshold を決めてを決めている。いる。

• 300MeV/c300MeV/c 以上でほ以上でほぼぼ constantconstant になる。になる。

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Resolution of Λ mass / momentumResolution of Λ mass / momentum

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Comparison betweenComparison between福田福田 CDS and NEW CDSCDS and NEW CDS

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Λ coincidenceΛ coincidence / / Λp coincidenceΛp coincidence(K(K--, n), n) (K(K--, p), p)

33HeHe

KK--pppp

→ → Λ+ p, ΣΛ+ p, Σ0 0 + p+ p

→ → ΣΣ+ + + n+ n

KK--pnpn

→ → Λ + n, ΣΛ + n, Σ0 0 + n+ n

→ → ΣΣ- - + p+ p

44HeHe

KK--ppn (Sppn (S++))

→ → Λ+p+n, ΣΛ+p+n, Σ00+p+n+p+n

→ → ΣΣ+ + +n+n+n+n

→ → ΣΣ- - +p+p+p+p

KK--pnn (Spnn (S00))

→ → Λ+n+n, ΣΛ+n+n, Σ00+n+n+n+n

→ → ΣΣ- - +p+n+p+n

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ππ++ from Σ from Σ++ decay decay

Vertex からの π(200MeV/c) 400MeV/c Σ からの π

実際の崩壊点の DCA

φ 方向の分解能 (σ=1.2deg) 　が十分でないために、vertex 起因か secondary かを区別するのは困難である。

L を大きくすることで改善の可能性。

π+

Σ+

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Cross section?Cross section?

• 比連崎グループ比連崎グループ : : 1212CC 以上の核のみ以上の核のみ

A. Ciepl´y et al., Nucl. Phys. A 696 (2001), 173.

T. Kishimoto, Phys. Rev. Lett. 83 (1999), 4701.

J. Yamagata et al., Prog. Theor. Phys. 114 (2005) 301

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Energy-independent potential Energy-dependent potential

J. Yamagata et al., Prog. Theor. Phys. 114 (2005) 301

J. Yamagata et al., nucl-th/0602021

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Yield estimationYield estimation

• とりあえずとりあえず 10μb/sr10μb/sr のの cross sectioncross section を仮を仮定。定。

• ΛΛ もしくはもしくは ΣΣ00 を含む崩壊モードは全体を含む崩壊モードは全体のの 1/31/3 以上の分岐比になる。以上の分岐比になる。

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Yield estimation (KYield estimation (K--pp)pp)

• neutron detection : 300ev/dayneutron detection : 300ev/day• もしも全体のもしも全体の 1/31/3 がが Λ+p or ΣΛ+p or Σ00+p+p に壊れに壊れ

たらたら• + Λ coincidence (CDS) : 30ev/day+ Λ coincidence (CDS) : 30ev/day• + Λp coincidence (CDS) : 20ev/day+ Λp coincidence (CDS) : 20ev/day

• さらにさらにtracking eff., DAQ eff., analysis eff. etc.tracking eff., DAQ eff., analysis eff. etc.

• 最低でも各標的で最低でも各標的で 100shifts100shifts は必要。 は必要。

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neutron

neutron+Λ

neutron+Λ+proton

neutron

neutron+Λ

neutron+Λ+proton

K-pp mass [MeV/c2] K-pp mass [MeV/c2]

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missing mass

invariant mass

missing mass

invariant mass

終状態 (n, Λ, p) がすべて検出される

Σ0 からの γ が missing

CDS の分解能が良ければ区別できそう

崩壊分岐比の決定

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Case for Case for 44HeHe

これは福田 CDS の geometry での計算。K-ppn mass [MeV/c2] K-ppn mass [MeV/c2]

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Physics motivationPhysics motivation

• Check of E471/E549 and FINUDA results Check of E471/E549 and FINUDA results with different reactionswith different reactions

• Cross sectionCross section• Decay branching ratioDecay branching ratio

• non-mesonic decay Λ, Σnon-mesonic decay Λ, Σ00, Σ, Σ±±

• mesonic decay Λπ?mesonic decay Λπ?• Momentum correlation in 3-body decayMomentum correlation in 3-body decay

• size, density (P. Kienle)size, density (P. Kienle)

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SummarySummary

• 液体ヘリウム液体ヘリウム 3, 43, 4 標的で標的で 1.0GeV/c1.0GeV/c ののbeambeam を用いてを用いて (K-, N)(K-, N) 反応で反応で kaonic kaonic nucleinuclei を探す。を探す。

• S/NS/N を上げるためにを上げるために CDSCDS でで kaonic nucleikaonic nucleiの崩壊に起因するの崩壊に起因する ΛΛ などを直接捕まえる。などを直接捕まえる。

• armarm の長いの長い CDSCDS を作ることで運動量分解を作ることで運動量分解能（おそらく角度分解能も）の大幅な向能（おそらく角度分解能も）の大幅な向上を目指す。上を目指す。