Experimental Progress inStrangeness Nuclear Physics

— Report from Group A01&A02 —

T.Takahashi on behalf of Group A01 & A02(KEK IPNS/J‐PARC Center)

at NSMAT2016 (2016 Nov. 21)

Contents

• Introduction• Goal of Group‐A projects• Knowledge on Hyperon Potential & Interaction in 2012

• Experimental Progress in SNP• Progress – 5 physics results • Detectors under construction

• Hyperon Spectrometer & CATCH

• Summary

2016/11/21 NSMAT2016 2

Introduction

2016/11/21 NSMAT2016 3

r

Joint project between experiments, observations, theories

⇒ properties of neutron matter

Theories

High Int. proto acc.J-PARC

⇒ n-star radius

Unstable beam factoryRIBF

Strangeness nuclear physics

Ｘ-ray observatoryASTRO-H

Understand structure of n-star

“Science of Matter based on quarks”

Cold atoms

n-rich nuclei

⇒ Interaction of hyperons

X-ray astronomy

World-best two accelerators and

X-ray satellite

Nuclear matter EOS

2016/11/21 NSMAT2016 4

Expected 12C spectrum

5

6ΛΛHe

4He

t

Ξ-

p

π-

ΛHe

10μm500

10

5

6He hypernucleus

hypernuclear spetrocopy(Unique in the world) 

nuclei from emulsion(Unique in the world, 10 times improved)

N int.

→ EOS of high density matter

A01: Interactions of multi‐strangeness systems

Determine hyperon mixing in the inner core（> 30）

E05

Baryon fractionfr

actio

n

Nakazawa、SumihamaH.takahashi

Takahashi, Naruki

Sato, Imai,Takahashi,Naruki

int.

Peak in  invariant mass

correlation(Unique in the world)

（density）

?

N→int. n

H dibaryon？

Hyperon spectrometer

TPC,  S.C.magnet

E07

E42

2016/11/21 NSMAT2016 5

coherent couplingn n

n n

(1) +p scattering（unique）Miwa, Tamura

‐> n ( p) int.=>  exists in n‐star or not

(2a)  spectroscopy of hypernuclei

(Unique method ) Koike, Tamura‐> Details of N, NN int.(2b)  n‐rich hypernuclei(Unique method) Sakaguchi, Ajimura, Fukuda

‐>nn int. in n‐rich environment=> Fraction of  in n‐star

(3)  K‐ nuclear bound states Outa,, Suzuki

‐> KbarN int. in matter=> K condensation in n star?

A02: Strangeness in n-rich matter

E10

E15, E27

Determine hyperon mixing in =2~30region where hyperons begin to appear

E40

E13

frac

tion

ρ

n

p

n attractive

n repulsive

?

p

p/n

LH2 targ

Fiber tr

Ca

PiID co

Forward calorimeter

Ultra-fast (x100)Tracking detector

Using MPPC

Sattered proton detector

K-

p p2016/11/21 NSMAT2016 6

Hyperon Potential & Interactionsknowledge in 2012 (at Kick-off sympo.)

:U = 30 MeV in normal (NZ) matter at 0U ? in neutron‐rich matter 

(, , ) :N int. is repulsive but how much?

( , ) :    nucleus is not well establishedU = 14 MeV ? (12Be) B = 2.6 MeV ? (+14Ntwin ‐nucleus)

interaction:B = 0.67 ± 0.17 MeV from NAGARA event

systematic data (A‐dependence)YY:N:

Group‐A02(S=1)

Group‐A01(S=2)

to be established

2016/11/21 NSMAT2016 7

Progress of SNP (2012 - present)

2016/11/21 NSMAT2016 8

Progress (1) Discovery of Ξ nucleus

In the test application of Overall Scanning Method, which is under R&D for incoming E07 Experiment, to the emulsion sample irradiated before, we found the event in which is deeply bound in 14N. This is the first evidence of ‐nucleus 

In the test application of Overall Scanning Method, which is under R&D for incoming E07 Experiment, to the emulsion sample irradiated before, we found the event in which is deeply bound in 14N. This is the first evidence of ‐nucleus 

+ 14N→ 10Be(#1) + 5He(#2) 

Newspaper（2015/1/19）

Binding energy of 

> 1.03±0.18 MeV c.f. 0.17 MeV（atomic orbit）3.87±0.21 MeV if 10Be is in ground state.

In E07, ~100 double‐strangeness events will be observed. ⇒ detailed information on S=‐2 interaction

In the R&D of E07Discovery of ‐Nucleus for the first time – KISO Event –

Attractive N interaction has been established.

PTEP 033D02 (2015)

⇒ K.Nakazawa

2016/11/21 NSMAT2016 9

Start of E07 (Emulsion exp.) at K1.8

KURAMA (260msr) installed at K1.8mom

entum [G

eV/c]

K

K

Beam was exposed to the 18/118 emulsion stacks in June 2016.

⇒ K.Nakazawa⇒ S.Hayakawa & M.Fujita (poster)

2016/11/21 NSMAT2016 10

Progress (2): 12C(K-,K+) Pilot data

(K,K+) Missing mass spectroscopy using SKSM 6 MeV (FWHM)

Missing Mass (GeV)1.3 1.3051.311.3151.321.3251.331.3351.341.3451.35

Cou

nts /

0.5

MeV

0

100

200

300

400

500

) at 1.8 GeV/c+, K-Missing mass p(K ) at 1.8 GeV/c+, K-Missing mass p(K

previous data at BNL‐AGSM 14 MeV(FWHM)

P.Khaustov et al., PRC61 (2000)054603 ⇒ S.Kanatsuki2016/11/21 NSMAT2016 11

Progress (3): Neutron-rich Λ nuclei— No observation of 6ΛH (J-PARCE10) —

t + 2n + 0.0

4H + 2n

‐2.04

5H + 

Glue likerole of 

coherentcoupling

6H

Y.Akaishi et al. Phys.Rev.Lett.84(2000)3539

‐2.31

FINUDA

M.Agnello et al., FINUDA CollaborationPRL 108 (2012) 042501

6Li (  , K+ ) X

H.Sugimura et al. PLB729(2014)39

No peak structure in bound/resonance region 

U.L. 1.2nb/sr (90%C.L.)

⇒ R.Honda2016/11/21 NSMAT2016 12

Progress (4) Charge Symmetry Breaking in ΛN interaction

‐ray spectroscopy at J‐PARC E13

coun

ts/8 keV

E [MeV]

4He(K,) 2015 Apr.‐MayJune

2016/11/21 NSMAT2016 13

Progress (4) Charge Symmetry Breaking in ΛN interaction

• Large CSB of 1+‐0+ level spacing• spin‐dependent CSB

• 1+ : small/no• 0+ : large

• effect of N‐N mixing ?

T.O.Yamamoto et al. PRL115 (2015) 22501

decay  spectroscopyat MANI‐C2.12±0.01stat.±0.09syst.

A.Esser et al. PRL114(2015)232501

Importance of Three‐Body Force

⇒ T.O.Yamamoto & S.Nagao

⇒ S.Yang , M.Nakagawa( other E13 results )

2016/11/21 NSMAT2016 14

Progress (5) Observation of “K-pp”

J‐PARC E27 @K1.81405) doorway production 

at p=1.69 GeV/cd → K+XX → p → p→ pp

Mx

Y.Ichikawa et al. PTEP 2015 21D01

B =   95      (stat.)       (syst.) MeV

= 162      (stat.)      (syst.) MeV

+1817

+3021

+8745

+6678

2016/11/21 NSMAT2016 15

Progress (5) Observation of “K-pp”

J‐PARC E15 @K1.8BRK 3He → X n  at pK = 1.0 GeV/cX → p 

E151st

E152ndY.Sada et al. PTEP (2016) 051D01

⇒ H.OutaM[K+p

+p]

M[+

+N]

Two structures around M[K+p+p]!?

2013 May

2015  Nov.‐Dec.

2016/11/21 NSMAT2016 16

Large-Acceptance Hyperon Spectrometerfor H-dibaryon Search (E42)

K C (diamond)  → K+ H XH →  / p / p → p

KURAMA

K1.8BS

Hyperon Spectrometer

• large acceptance• high‐rate tolerance 

(K) beam   1MHz• good invariant massresolution  1MeV

Hyperon Spectrometer (HS) S.C. Helmholtz magnet

1.0 T TPC with 3 GEM layers

GET readout system TOF hodoscopes .... Target inside TPC

⇒ J.K.AhnS.H.Kim (poster)2016/11/21 NSMAT2016 17

Hyperon Spectrometer- S.C. Helmholtz magnet -

Max field:   1.5 T @ 99.9AField region:  500mmφ×500mmWeight:  10 tonConductive cooling by 2 GM cryocoolers

All of necessary items (cryocoolers, monitors, power supply etc.) will be ready mid‐Dec. Then we will start cooling / excitation tests.

KEK‐Tsukuba Campus (ERL building)

2016/11/21 NSMAT2016 18

Hyperon Spectrometer - TPC -Full set of TPC was fabricatedand arrived at J‐PARC  (Oct.2016)

Beam test at ELPH‐Tohoku,  Nov.7‐10

The first cosmic‐ray event

2016/11/21 NSMAT2016 19

⇒ S.H.Kim (poster)

CATCH for Σp Scattering Exp.⇒ K.Miwa

()

()

p = n interaction

Liq.H2

Requirements• Large acceptance for scattered proton• High rate tolerance

beam rate 10MHz• Kinematical identification of p scattering

energy and direction

Cylindrical Fiber Tracker (CFT)4 layers for  & 4 layers for UVMPPC readout

BGO calorimetershaping amplifier

+ flash ADC readout2016/11/21 NSMAT2016 20

CATCH and its first application

p‐d elastic scattering and break‐up reaction experiment using CATCH will be performed at CYRIC‐Tohoku Jan.16‐17, 2017

⇒ Y.Akazawa

Cylindrical Fiber Tracker (CFT)

BGO calorimeter

Construction of CATCH was just completed.

1st application to physics experiment

Beam power & K- intensity (K1.8BL)

@38.6kW ( Nov. 2014 )duration:  5.51 sec.spill length: 2.0‐2.1 sec.4.43× 1013 ppp

(optimal condition)

38.6kW(Nov. 2014)

41.5kW(Dec. 2014)

(42kW)(June 2015)

53 kw x (s. f.)(next)limited by T1

24kW(Apr.2014)

33kW(June 2014) • Design of 80kW 

target was finished• R & D of >100kW 

target is underway

2016/11/21 NSMAT2016 22

Summary nuclei have been established.

KISO event (  14N ) 12C(K‐,K+) missing mass spectrum with M6MeV

➡ potential / N interaction is attractive. in (neutron‐rich) nuclei

No observation of 6H ↔ Prediction of Theory Large C.S.B. in 4He / 4H system

➡ suggests importance of T.B.F. via N‐N mixing Kpp bound state exists !New detectors have been developed / under construction for near future experiments Hyperon Spectrometer , CATCH

2016/11/21 NSMAT2016 23