Hypernuclear gamma-rayspectroscopyat J-PARC K1.8 Beam line
Tohoku Univ.
K.Shirotori
東北大学 大学院理学研究科
白鳥昂太郎
2006 JPS in NARA
2
Outline
Background of experiments
Requirement on setup
Setup, SKS & Hyperball-J
Detectors in detail, SKS & Veto counters
Summary
Nucleus_HyperNucleus0
2006 JPS in NARA
3
Nucleus_HyperNucleus0
Previous hypernuclear gamma-rayexperiments
Investigation of ΛN interaction by Λ hypernuclei.
+, K+) reaction @ KEK
Good spectrometer SKS(Momentum resolution 1MeV/c)
Low background
Low production rate
(K-, π-) reaction @ BNL
High production rate
Spectrometer is worse than KEK
Large Background from Beam K-decay
Systematic studies of several hypernuclei → J-PARC
High production rate
+Background rejection
Good spectrometer
2006 JPS in NARA
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Nucleus_HyperNucleus0
Proposed “DAY-1” experiment E13
Several light hypernulcear gamma-rayspectroscopy experiments are planed.
   (4ΛHe7ΛLi10ΛB11ΛB19ΛF)
(K-, π- γ) at  pK = 1.5 GeV/c (500k/spill)
                                                (Out going π-1.4 GeV/c)
Magnetic spectrometers for (K-, π-) detection
Hyperball-J for Gamma-ray measurement
2006 JPS in NARA
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Nucleus_HyperNucleus0
HyperBall-J or HyperWall-J
HBJ_3
Wall Type
Ball Type
Single Ge (r.e.70%)  30
PWO background suppressionfor higher counting rate
Waveform readout
LN2 cooling
Mechanical cooling by
Pulse tube
Target
Total photo peak efficiency
>5%
@ 1MeV (Geant4 simulation)
2006 JPS in NARA
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Nucleus_HyperNucleus0
Requirement on spectrometer forhypernuclear gamma-ray spectroscopy
To analyze 1.4GeV/c-scattered π- byexisting spectrometer system.
Large acceptance 100[msr], θ20[degree].
→Enough hypernuclear production yield.
Good momentum resolution 24[MeV/c].
→To distinguish excited states of hypernuclei.
Modify SKS (Superconducting Kaon Spectrometer )
2006 JPS in NARA
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Nucleus_HyperNucleus1
The K1.8 Beam line and SKS
Beam spectrometer
BH1,2 : Time-of-flight
BAC : π- veto (n=1.03)
SKS
SAC : K- beam veto (n=1.03)
SFV : K- beam veto
STOF : Time-of-flight
Target : 20 g/cm2
MWPC & DC
: Beam position measurement
Background Veto
SMF : μ- from K-→μ-
SP0 : π- from K-→π-0
Hyperball-J : γray
Beam spectrometer
SKS
2006 JPS in NARA
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Nucleus_HyperNucleus0
SksPresent_720_20
Present SKS to New SKS
Momentum resolution
0.1%FWHM (0.72MeV/c)
@ 720 MeV/c, 2.2T
Maximum centralmomentum
1.0 GeV/c @ 2.7T
Acceptance
100 msr @0.72GeV/c
θ20°
2.2T
Scattered particles are not focusedand present drift chambers(SDC3,4) are small for largereaction angle (half acceptance).
Large acceptance bylarge drift chambers
Smaller bending angle(100°→60°)
Momentum resolutiongets worse.
2006 JPS in NARA
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Nucleus_HyperNucleus0
SksMinus_1400_20
Present SKS to New SKS
Momentum resolution
0.1%FWHM (0.72MeV/c)
@ 720 MeV/c, 2.2T
Maximum centralmomentum
1.0 GeV/c @ 2.7T
Acceptance
100 msr @0.72GeV/c
Parallel
scattering
2.7T
θ20°
Scattered particles are not focusedand present drift chambers(SDC3,4) are small for largereaction angle (half acceptance).
Large acceptance bylarge drift chambers
Smaller bending angle(100°→60°)
Momentum resolutiongets worse.
2006 JPS in NARA
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Nucleus_HyperNucleus0
Present SKS to New SKS
GeometryMinus1
2.7T
Scattered particles are not focusedand present drift chambers(SDC3,4) are small for largereaction angle (half acceptance).
Large acceptance bylarge drift chambers
Smaller bending angle(100°→60°)
Momentum resolutiongets worse.
θ20°
2006 JPS in NARA
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Nucleus_HyperNucleus0
GeometryMinus2
Present SKS to New SKS
SBS
K- beam directly hit SDC3,4.
Scattering beam particles by heavymaterial (Pb, W)
300kHz→60kHz/wire @ 20mm cell
Scattered particles are not focusedand present drift chambers(SDC3,4) are small for largereaction angle (half acceptance).
Large acceptance bylarge drift chambers
Smaller bending angle(100°→60°)
Momentum resolutiongets worse.
2006 JPS in NARA
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Nucleus_HyperNucleus2
Geometry
SKS : New configuration
SKS
SAC : K- beam veto (n=1.03)
SFV : K- beam veto
STOF : Time-of-flight
DC : Beam position measurement
Background Veto
SMF : μ- from K-→μ-
SP0 : π- from K-→π-0
Beam K
π
2006 JPS in NARA
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Nucleus_HyperNucleus0
SKS Acceptance & Momentum resolution
Acceptance00
Acceptance 120[msr] withlarge drift chambers (2[m]×1[m])
100[msr] for present SKS
Momentum resolution2.1[MeV/c] (bending angle 60°   w/multiple scattering)
0.8[MeV/c] for present SKS
Momentum_resolution_KPi01
Simulation program is checkedagainst previous SKSconfiguration
SKS performance is sufficient
for hypernucler gamma-rayspectroscopy
2006 JPS in NARA
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Background rejection
K-μ-ν (63.4%)
Muon Filter
K-π-π0 (21.1%)
PiZero Veto
KPi_wDecay
Beam K- decay products makeserious background
K-→π-π-π+ (5.58%)
K-→e-π0ν (4.87%)
K-→μ-π0ν (3.27%)
K-→π-π0π0 (1.73%)
Contribution is relatively small150 trigger
Fake trigger 1700/spill
True event trigger 700/spill
Beam K
BAC
SAC
Target
20cm
μ
ν
Decay
2006 JPS in NARA
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SMFR2_0
Muon Filter
Thick Material (ex. Iron)
μ-
π-
Scintillation
counter
Scintillation
counter
Only μ- can be detected.
Stopped by
hadronic interaction
Pass through
Nucleus_HyperNucleus0
2006 JPS in NARA
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Muon Filter
SMFR2_0
Muon_vs_Kpi02
After
Before
89% of μ can be detected inthe trigger
In the offline analysis 100%
Over kill for true π 1.7%
Nucleus_HyperNucleus0
2006 JPS in NARA
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PiZero Veto
70% of π0 can be detected by2 set of 2[cm] lead plate andscintillation counter layer. (75%of γ from π0 hit the SP0)
Simulation in progress
SP0_design
Pion_vs_Kpi03
Before
After
Nucleus_HyperNucleus0
2006 JPS in NARA
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Trigger rate
(K--) Reaction rate 700/spill
K-μ-ν  1320/spill
K-π-π0 390/spill
K- Beam 10/spill
3-body decay 150/spill
2570/spill
w/o Veto counters
True trigger 350/spill
w/ Ge trigger and faketrigger greatlydecreased.
(K--) Reaction rate 700/spill
K-μ-ν  140/spill
K-π-π0 120/spill
K- Beam 10/spill
3-body decay 150/spill
1130/spill
w/ Veto counters
500/spill
w/ Ge trigger
(K-, πγ) at  pK = 1.5 GeV/c (500k/spill)
Comparable to the presenttrigger rate
Nucleus_HyperNucleus0
2006 JPS in NARA
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Summary
Several hypernulcear gamma-ray  experiments are planed at the J-PARCK1.8 beam line.
SKS is sufficient for hypernuclear gamma-ray spectroscopy.
Simulations in progress show a good vetocounter efficiency.
Estimation of background from heavycounter materials is necessary.
Nucleus_HyperNucleus0
Nucleus_HyperNucleus1
Nucleus_HyperNucleus3
Backup
2006 JPS in NARA
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Rough Kawazanyou (compared with BNLE930)
Beam 200k/spill→500k/spill : 2.5 times
Acceptance 60[msr]→120[msr] : 2 times
Hyperball 2.5%→6% : 2.4 times
S/N : 2 times
Cross section 1/3 times (0.9→1.5GeV/c)
8 times
2006 JPS in NARA
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Proposed “DAY-1” experiment E13
Spin-flip B(M1) measurement and gΛ in a nucleus
                 7ΛLi : Least ambiguities exist and most reliable
ΛN interaction study from p-shell hypernuclei
                10ΛB and 11ΛB Inconsistency exists. Not enough experimentaldata
Radial dependence of ΛN interaction from sd-shellhypernuclei
                19ΛF : Simplest in sd-shell
Spin-flip property in hypernuclear production
                 4ΛHe : Easiest to observe a spin-flip state
(K-, πγ) at  pK = 1.5 GeV/c (500k/spill)
2006 JPS in NARA
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Beam Momentum
f2g2
n
2006 JPS in NARA
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ΛN effective interaction
V(r) = V0(r) + V(r) sNs+ VN(r) lNsN
                                                                           + V(r) lNs+ VT(r) S12
(Core nucleusp-shellΛs-shell)
Radial Integrals  SNST are determinedby previous experiments
= 0.43 SN= -0.39 S= -0.01 T= 0.03[MeV]
Some inconsistencies appear !
Ex. 10ΛB puzzle → Theory fails to predictenergy spacing of ground state doublet
To solve these problems and for systematic studies of severalhypernuclei → J-PARC
spinflip
2006 JPS in NARA
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SKS Minus
Time-of-flight : STOF
Position measurement :SDC14
Beam veto : SAC
Beam veto : SFV
Veto counter, μ- from K-→μ-+ν : SMF
Veto counter, π- from K-→π-0 : SP0
GeometryMinus0
2006 JPS in NARA
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Time resolution
Mass_wTimeResol
Flight time 16[ns]
Path length 4.6[m]
Momentum
Pk=1.5 GeV/c (ΔP/P=1.4x10-4)
Pπ  form (K, π) reaction(ΔP/P=6.3x10-4)
Present TOF
→ 300[ps] w/o PHC
Present BH1,2
→ 200[ps] w/ PHC
2006 JPS in NARA
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Beam Veto
SFVHitPat
SAC efficiency 99%
→5k trigger /spill @ 500k/spill
SFV →10 trigger
Reduction of  acceptance7.5%
Beam size
σx=19.8[mm]
σy=3.2[mm]
(u=0.02, v=0.002)
GeometryMinus2
SBS
SBS
K- beam directly hit SDC3,4.
Scattering beam particles bysome material (Pb, W)
300kHz→60kHz @ 20mm cell
2006 JPS in NARA
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3-body Decay
3bodeDecay01
K-→π-π-π+ (5.58%)
K-→e-π0ν (4.87%)
K-→μ-π0ν (3.27%)
K-→π-π0π0 (1.73%)
2006 JPS in NARA
29
Muon Filter
Muon_vs_Kpi01
89% of μ can be detected inthe trigger
In the offline analysis 100%
Over kill for true π 1.7%
Muon_vs_Kpi_Momentum01
After
Before
SMFR2_0
2006 JPS in NARA
30
Muon Filter
Muon_IronDepth
Muon_NewFe01
2006 JPS in NARA
31
Iron thickness
2006 JPS in NARA
32
Pion_vs_Kpi02
Pion_vs_Kpi_Momentum02
PiZero Veto
70% of π0 can be detected by2 set of 2[cm] lead plate andscintillation counter layer. (75%of γ from π0 hit the SP0)
Simulation in progress
After
Before
SP0_design
2006 JPS in NARA
33
Pion_vs_Kpi02
Pion_vs_Kpi_Momentum02
PiZero Veto
70% of π0 can be detected by2 set of 2[cm] lead plate andscintillation counter layer. (75%of γ from π0 hit the SP0)
Simulation in progress
After
Before
SP0
Beam K
2006 JPS in NARA
34
Percentage of decay in target 25cm
2006 JPS in NARA
35
tab1
2006 JPS in NARA
36
Λ Hypernucleus
Λ hypernucleus  → Λ is bound in a nucleus
The Baryon which isdifferent from nucleons(p/n)
N-N interaction → B-B interaction
Deeply bound
in a nucleus
w/o Pauli effect
The property of baryonchanging in the nuclearmedium
  strangeness S= -1
  M=1115.68 MeV
  J=1/2+
  I=0
 Mean life=263.2 ps
Λ
Nucleus
Λ hypernucleus
Nucleus_HyperNucleus
2006 JPS in NARA
37
Λ Hypernucleus
spinflip
Nucleus_HyperNucleus0
The Baryon which isdifferent from nucleons(p/n)
N-N interaction → B-B interaction
Deeply bound
in a nucleus
w/o Pauli effect
The property of baryonchanging in the nuclearmedium
Systematic studies of several hypernuclei → J-PARC
Nucleus_HyperNucleus1
Λ Hypernucleus
 ΛN effective interaction
2006 JPS in NARA
38
Level scheme of 7ΛLi
2006 JPS in NARA
39
Calculated cross section for 7ΛLi
2006 JPS in NARA
40
B(M1) mesurement