a. o. tokiyasu for leps collaboration rcnp leps/spring-8 における γ 線を用いた3体系 k...

27
Search for 3-body kaonic nuclei using g-induced reaction at LEPS/Spring-8 A. O. Tokiyasu for LEPS collaboration RCNP LEPS/SPring-8 にににに γ ににににに 3体 K ににににににににに

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Page 1: A. O. Tokiyasu for LEPS collaboration RCNP LEPS/SPring-8 における γ 線を用いた3体系 K 中間子原子核の探索

Search for 3-body kaonic nuclei using g-induced reaction

at LEPS/Spring-8

A. O. Tokiyasu for LEPS collaborationRCNP

LEPS/SPring-8における γ線を用いた3体系 K中間子原子核の探索

Page 2: A. O. Tokiyasu for LEPS collaboration RCNP LEPS/SPring-8 における γ 線を用いた3体系 K 中間子原子核の探索

Index

What are Kaonic nuclei?

LEPS experiment

Results

Future work: search in LEPS2 experiment

Conclusion☆  This presentation is based on arXiv.1306.5320

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 2

Page 3: A. O. Tokiyasu for LEPS collaboration RCNP LEPS/SPring-8 における γ 線を用いた3体系 K 中間子原子核の探索

What are Kaonic nuclei?

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 3

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meson in nuclei

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 4

pseudo-scalar mesonJP=0-

s-wave pN int repulsive

pionic atomic state

-chiral symmetry restoration

s-wave KN int strong attractive

K bound state in nuclei (Kaonic Nuclei) (B.E. = several dozen MeV)

-K exist as a real particle?   Strange dibaron? L*hyper-nuclei?

-high density state.

-sub-threshold KN int

Pb(d, 3He) @GSI

p- (139.6 MeV, I=1) K (493.7 MeV, I=1/2)

PRL.88.122301

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Kaonic nuclei (Exist or not?) 2-body: KN - L(1405) very strange hadron too light. qqq? or qqq+qq? KN bound state + Sp resonance

3-body: KNN  [K[NN]I ]I, Iz

K-nn : v(I=1) K-pn : 3/4v(I=1) + 1/4v(I=0) K-pp : 3/4v(I=0) + 1/4v(I=1) ←strongest

>4-body: KNNN… -K-ppn, K-pnn (KEK-E471,E549) → no narrow peak -K-+11B,11C, 15N,16O (BNL-E930,KEK-E522) →shape analysis -effective nuclear force, absorption effect...

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 5

In order to understand more complicated systems, the investigation of the simplest system is important!

v(I=1) weak attractivev(I=0) strong attractive

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theoretical prediction

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 6

from HYP 2012.Proc by A.Gal

B.E. = 10 - 80 MeVG = 30 – 110 MeV

K-pp will exist.However predicted values are dependent on the interactions and the methods.→still controversial situation!

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experiments

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 7

)()( syststat 34

65115

)()( syststat 23

141167

)()( syststat 53103

)()( syststat 108118

FINUDA @ DAFNE (2005)

DISTO@ SATURNE(2010)stropped K- on (6Li, 7Li, 12C, 27Al

and 51V)p p L p K+

B.E. =

B.E. = G =G =

invariant mass (L + p)

Missing mass (K+)

MeV

MeV

MeV

M.Agnello, Nagae and Fujoka et al., PRL 94, 212303 (2005)

T.Yamazaki et al., PRL 104, 132502 (2010)

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K-pp will exist but theory: shallow? deep? wide? narrow? experiment: deeper than any of the

prediction. K-pp?

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 8

Search experiments via different reactions are awaited.

E15 (J-PARC) 3He(K-,n)X →E27 (J-PARC) d(p+,K+)X→ FOPI (GSI), HADES same as DISTOAMADEUS (DAFNE) stopped K-ALICE, Super-B (LOI)g-induced reaction (LEPS/SPring-8) → This talk

Y. Sada 13:30-13:50 @Rm.803

Y. Ichikawa 13:50–14:10 @Rm.803

Recent status

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g-induced reaction

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 9

K+

p

g

K-

pn

detect K+ at very forward angle (< 15degree)→ t-channel reaction (on-shell meson exchange)→ virtual K- beam

N

NK

d (g, K+ p) X

p0 : X = K-pnp+ : X = K-nnp- : X= K-pp

search in inclusive missing mass spectrum at LEPS/SPring-8.

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LEPS experiment

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 10

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LEPS/SPring-8

Data take:2002/2003, 2006/2007 7.6 x 1012 photons on LD2 target

SPring-8: 8 GeV electron storage-ringLEPS : hadron physics using g beam

Back-word Compton Scattering

e

e

Detect withTagging counter

Eg=1.5 - 2.4 GeVexperimentalhatch

355nm laser

8 GeV

LEPS

DEg=12 MeV

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 11

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LEPS spectrometer

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 12

TOF

Dipole Magnet  0.7 [Tesla]

Target

Start Counter DC2 DC3

DC1SVTX

AC(n=1.03)

SSD(SVTX)Drift Chamber(DC 1~3)

position

Start Counter(SC)Time of flight wall(TOF)

time

Aerogel Cherencov counter(AC)Start Counter (SC)

trigger

g(1.5-2.4 GeV)

p-

K+

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particle identification

K+

p- Dp/p ~ 6 MeV/c @ 1 GeV/c

TOF (Time of flight)

m2 = p2(1/β2 - 1)

Track reconstruction + Runge-Kutta method.

mass p = 938.3 MeVmass K+ = 493.7 MeVmass p- = 139.6 MeV

c.f.

p

p+

K-

0

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 13

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Analysis and Results

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 14

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missing mass spectrum

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 15

→No bump structure was observed!

expected signal

search region: Mass = 2.22 - 2.36 GeV/c2

B.E. = 10 - 150 MeV

A: (~3 mb) g n → S-(1197) K+

S- → n p-

B: (~7 mb) g p → (1116)L K+ p-

C: (~4 mb) g n → S-(1197) K+ p-

g p → S0(1193)K+ p-

d(g, K+p-)X

Mx = MMd(K+p-) =√(pE+pd)2 – (pK+-pp-)2

Bump structure was searched for with log-Likelihood ratio method.

A

B

C

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upper limit of cross section

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 16

-G= 20 MeV 0.05 - 0.25 mb

- G = 60 MeV 0.15 - 0.6 mb

- G =100 MeV 0.15 - 0.7 mb

a few % of typical hadron production cross section.

B.E. 15 points (10-150 MeV)G 3 points

DL = 3.84 → 95% C.L. Upper Limit

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Background processes

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 17

BG process: QF-process

MMp(K+p-) and Mp(K) spectra were fitted simultaneously.

- gNY K+p-

- gNY* K+p-

- gNY p K+p-

Main component:gdL(1520) K+

(~20%)gdYp K+p-(~20%)

MMp(K+p-)

MMp(K+)

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Search in LEPS2 experiment

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 18

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LEP2 facility

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 19

acceptance: 5 – 120 degreep/Dp ~ 1%

beam intensity x10 of LEPS ( 107 cps)

4 p detector under construction for

the 1st experiment

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LEPS2 spectrometer

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 20

accepted

accepted

Detection of decay products from K-pp bound state. improvement of S/NNon-mesonic decay

mode

tagging two high-momentum protons is effective to reject background events from quasi-free process.

g d K+ p- K-pp  K-pp L proton(p1) L proton (p2) p-

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Conclusion

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 21

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Conclusion

K-pp bound state give us rich information on anti-K and nucleon interaction

K-pp bound state was searched in g d K+ p- X reaction at LEPS/SPring-8

Significant bump structures were not found and the upper limits of production cross section were determined

Main component of background processes were found to be quasi-free processes

LEPS2 experiment has potential for exclusive search.

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 22

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Collaborators

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 23

Thank you for your attention!

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Appendix

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 24

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Search in other mode for LEP2 experiment

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 25

g d Ks K-pp K-pp Lp, S0p, (SpN) *similar reaction as E27 experiment. (L* door-way reaction) g d K*

K-pp K-pp Lp, S0p, (SpN) *virtual K can be selected clearly if decay plane of K* is perpendicular

K-pp

g d K+ K-pn

g d K+ K-pn

K-pp Ln, S-p

g d K+ p0 K-pn

K-pn Ln, S-p

K-pn

g d K+ K-pn

g d K+ K-pn

K-pp Ln, S-p

g d K+ p0 K-pn

K-pn Ln, S-p

K-nn

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K-d, K-nn (preliminary)

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 26

g d K+ K-pn g d K+

p+ K-nn

red: LH2blue: LD2

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systematic errors

2013/07/27 RCNP 研究会「核子・ハイペロン多体系におけるクラスター現象」 27

Error Bar : statistical uncertainty (~5%)Red Box : systematic uncertainty (~20%)Hatched : discrepancy between datasets (~12%)