ハイパー核分光ハイパ 核分光ーKEK‐PSからJ‐PARCへー

２００８．１２．５ 金茶会２００８．１２．５ 金茶会

高橋俊行

ContentsContents

• Introduction• Λ hypernuclei

– Production reactions– Spectroscopy & ΛN Interaction

• Reaction SpectroscopyReaction Spectroscopy• γ‐ray Spectroscopy

– Baryon in Nuclei• KEK‐E419/J‐PARC E13

• S=−2 systemM ti ti– Motivation

– ΛΛ hypernuclei – Ξ hypernuclei & J‐PARC E05Ξ hypernuclei & J PARC E05

Baryon Octet （バリオン八重項）Baryon Octet （バリオン八重項）

陽 中性 仲間陽子・中性子の仲間

• S=0– p, n I=1/2

• S=−1S 1– Λ I=0– Σ (Σ+ Σ0 Σ−) I=1Σ (Σ ,Σ ,Σ ) I=1

• S=−2Ξ (Ξ0 Ξ−) I 1/2– Ξ (Ξ0,Ξ−) I=1/2

これらを含む原子核を

ハイパー核という

Λ ハイパー核ーもっとも軽いハイパー核－

寿命： Λの寿命（260ps）程度τ=200ps =Γ

chτ=200ps原子核の半径： r=3.5fm (A~20)光速で回転するとして、崩壊までに

* /(2* * )fmMeV 200 ⋅

=

Γτc

n=c*τ/(2*π*r) =3x108x2x10‐10/(2x3.14x3.5x10‐15)=2.8x1012

fm10102103 15108 − ××⋅×

回まわる MeV103.3 12−×=

Baryon多体系（原子核）を充分な時間形成し、状態の幅も充分狭い状態の幅も充分狭い。

3次元核図表3次元核図表

• S=0 （通常原子核）S 0 （通常原子核）– 安定核種 ～３００– 確認 ～３０００

存在 ６０００– 存在 ～６０００• S=−1

– Λハイパー核 ３５– ∑ハイパー核 １

• S=−2ダブルΛ イパ 核– ダブルΛハイパー核

３（５）

Discovery of Hypernulei in 1952Discovery of Hypernulei in 1952Marian Danysz & Jerzy Pniewski

Phil. Mag. 44 (1953) 348

Track Range G.D. Identity EnergyFragement  f Charge   5

1 9 μm Black p,  d, t, or α 0.7 MeV (p)

2 123 μm Black p,  d, t, or α 16 MeV  (α)

3 3 7±0 2 d t 82 M V ( )

gRange   90μmEnergy   ～60MeVTime of Flight  3ps

3 － 3.7±0.2 p, d, t, or π 82 MeV  (p)

4 2 μm Black Recoil －Released Energy at B

～140MeV

ハイパー核物理の特長ー研究の目的ー

イペ は 排他律を受けな• ハイペロンは、Pauli排他律を受けない– 原子核深部を探るプローブ

• Impurity Physics– Grue‐like role– 核構造の変化– 媒質中のhadronの性質媒質中 性質

• Baryon‐Baryon Interaction– YN YY Interaction based on SU(3)fYN, YY Interaction based on SU(3)f– 核力の統一的理解

Reactions to Produce Λ HypernucleiReactions to Produce Λ Hypernuclei• In‐flight (K−,π−), (K−,π0) Reaction

– Recoilless production PK=~0.5GeV/c– Substitutional states

• (π+,K+) Reaction– Large mometum transfer ~400MeV/c > kFLarge mometum transfer  400MeV/c > kF– Spin‐streched states

• Stopped (K− π−) Reaction• Stopped (K ,π ) Reaction– Large production ratesNo special selectivity– No special selectivity

• (γ,K+), (e,e’K+) Reaction– Large momentum transfer  sim. (π,K)– Both spin‐flip and spin‐non‐flip states

Transfered momentum for elementary reactions

+ →K+Λ

γp →K+Λ

V/c]

π+n →K+Λ

tum [M

eV

K−n → π−Λ

il mom

ent

10°0°

Recoi

Beam momentum [GeV/c]

K−n→ π+Λ Cross SectionK n→ π+Λ Cross Section• PK～0.8GeV/cで最大

– ｑ～50MeV/c 1.6GeV/cでも大きいPK>1.6GeV/cでも大きい– Recoillessではない。

• q > 100 MeV/c

– Spin non‐flip

Cross Section for (π K) ReactionsCross Section for (π,K) Reactions

• 1.05GeV/c π+ beamfor Λ productionπ+n−>K+Λ

• Spin non‐flip amplitude

π+p−>K+Σ+

π+n−>K+Σ0

π−p−>K+Σ−

各反応でのスペクトル（理論予想）12Cを標的としてー 12Cを標的としてー

(K−,π−) reaction• Substitutional state:  0+• Large production cross section ~mb/sr

(π+ K+) reaction(π ,K ) reaction• Bound states• Spin stretched states:  2+• Small production cross section ~10μb/srSmall production cross section  10μb/sr

(e,e’K+) reaction( , )• Bound states• Unnatural parity states (2−,3+) as well as  natural parity states

• Very small production cross section ~10nb/sr

反応分光測定装置ー SKS & K6 beamline @KEK ー

K+

ビームπ+, 散乱K+の運動量と散乱角（粒子の飛跡）を事象ごとに測定し、Missing Massを求める。

チェレンコフ検出器粒子の識別 K g

P ~0 7G V/

粒子の識別

+

P=~0.7GeV/c

Drift Chamber粒子の飛跡を測定

π+

P 1 05G V/P=1.05GeV/cSKS

B=2.2T (max. 3T)Gap 50 cm

Plastic Sintillator飛行時間の測定

Gap 50 cmΔΩ = 100 msr

12 C Spectrum Measured with SKS12ΛC Spectrum Measured with SKS

11C Λ ( t t )11C + Λ (s‐state)

11C + Λ (p‐state)

11C* + Λ (s‐state)

Core核の励起状態にs‐stateのΛが結合した状態

ＳＫＳで初めて観測

hi l ( )H.Hotchi et. al, PRC64(2001)044302

Λハイパー核分光データからわかることー Single Particle Orbit of Λ ー

H.Hotchi et. al, PRC64(2001)044302

ポテンシャル中のΛの１粒子状態

Pauli排他律が働かない。Pauli排他律が働かない。Λは核子とは別粒子

Single Particle Energy of Λand Λ‐Nucleus Potential

Woods‐Saxon Potential

)(12

⎟⎞

⎜⎛ rdf rh51

1)(

)(1)()( 0

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= ΛΛΛ

rf

sldr

rdfrcm

VrfVrU LSrrh

π

51ΛV

12ΛC

M V31)1(

,))(exp(1

)(

3/10 −=

−+=

ΛVARR

aRrrf

fm840fm 1.1MeV31

with 00

==−=Λ

aR

V208

ΛPb139

ΛLa89

ΛY28ΛSi fm84.0=a

陽子や中性子では、−50MeV

ΛN相互作用は NN相互作用よりも弱い

Λ

E140a, T.Hasegawa et. al, ΛN相互作用は、NN相互作用よりも弱いE140a, T.Hasegawa et. al,PRC53(1996)1210

Spin Orbit PotentialSpin‐Orbit PotentialNormal Nuclei (S=0)では、重要( ) 、 要

Shell model by Mayer & Jensen

slrvV SOrr

⋅= )(

j = l±1/2でレベルが分離する

)12()(21

+>

Spin‐Orbit Potential of Λー 13ΛC* からのγ線測定 ー

BNL AGS E929BNL AGS‐E929H.Kohri et. al, PRC 65(2002) 034607A.Ajimura et. al, PRL 88(2001) 4255

13C (K−,π−) 反応で 13ΛC*を生成48D48 Spectrometer

13ΛC* からのγ線を測定

NaI Detector12C

13ΛC

Λがp1/2Λがp3/2LS partnerLS partner

K−

π−

Spin‐Orbit Potential of Λー 13ΛC* からのγ線測定 ー

厚い標的かつスペクトロメータの分解能が悪いので厚 標的か クト タの分解能が悪 のでMissing Massではピーク構造は見えない。

BΛ(G.S)=11.69±0.12MeV (Emulsion)

γ線スペクトル

薄い標的でのスペクトル

unbound region

bound regionbound region

Spin‐Orbit Potential of Λー 13ΛC* からのγ線測定 ー

２つの kは分離できないが 1/2 ( )と3/2+( )の生成の角度分布２つのpeakは分離できないが、1/2− (p1/2)と3/2+(p3/2)の生成の角度分布が違うことを使って、２つの状態のエネルギー差を求める。

E(1/2−)=10.982±0.031±0.056 MeVE(3/2−)=10.830±0.031±0.056 MeV

ΔE=152±54 keV

Λの場合、Spin‐orbit Potentialは非常に小さい非常に小さい。核子の場合は、p‐orbitで約6MeV

Hypernuclear γ‐ray Spectroscopy and ΛN Interaction

• Small spin‐dependent ΛN interaction – Spin‐orbit splitting of 13ΛC ~150keVp p g Λ

E i t l l ti• Experimental resolution– (π+,K+), (K−,π−) with Mag. Spec. 2‐3MeV– γ‐rays with NaI 350keV@10MeV– (e e’K+)

Hypernuclear Fine Structureand ΛN (Effective) Interaction

ΛN ( ff ti ) i t tiCore Nuclei (p‐shell) + Λ in s‐state ΛN (effective) interaction

Λ

⋅+=

rrN

ssrVrVrV

)()()( 0 Central

Spin‐spin

Λ

ΛΛΛ

Λ

⋅+

⋅+

⋅+ σ

rr

rr

NNN

N

N

slrV

slrV

ssrV

)(

)(

)( p pΛ spin‐orbit

N spin‐orbit

ΛΛ

Λ

⋅−⋅⋅=++

σσσσ rrrrrr NNT

NNN

rrSSrV

slrV

))((3)()(

12

12Tensor

Radial integral by Λ in s‐state and N in p‐state W.F.p‐shell Λ hypernuclei

TSS N ,,, , V ΛΔp shell Λ hypernuclei

pA‐5N  sΛ

HyperballHyperball

• 14 Sets of Ge & BGOff– Ge: 60% rerative efficiency

– BGO: 6 seg. per each

• Solid angle coverage: 15%• Solid angle coverage: 15%• Photo‐peak efficiency

– 2 5%@ 1MeV– 2.5% @ 1MeV

• KEK E419, E509/ BNL E930• Transistor reset & gated• Transistor reset & gated 

integrator amplifier

Hyperball2Hyperball2

• Hyperball +6 sets of Clover type Ge detetors6 sets of Clover‐type Ge detetors

• 25% solid angle coverage• Photo peak efficiency• Photo‐peak efficiency

– 4% @ 1.33MeV

• KEK E518/E566• KEK E518/E566

7 Liー Spin spin Interactionー7ΛLi ー Spin‐spin Interaction ーKEK E419 (1998) (π+,K+) spectrum measured by SKS

H.Tamura et. al, PRL84(2000)5963PRL84(2000)5963

E(3/2)−E(1/2) = 1.444Δ +0.054SΛ +0.016SN −0.271T

Thin target data by E336

7ΛLiー Spin‐spin InteractionーΛLi  Spin spin Interaction 

γ ray spectra

unbound region

bound region w/o Doppler Corr.

bound region w/ Doppler Corrbound region w/ Doppler Corr.

E(3/2−>1/2)=692keV Δ = 0.43 MeV

9ΛBeー Λ spin‐orbit InteractionーΛBe  Λ spin orbit Interaction 

BNL E930(‘98) H.Akikawa et. al, PRL88(2002)082501H.Tamura, NPA754(2005)58c

9ΛBe:  α‐α‐Λ cluster

E(3/2+ −> 1/2+) = 3067 ±3 ±1keV(3/ / ) 306 3 eE(5/2+ −> 1/2+) = 3024 ±3 ±1keV 

E(3/2+)−E(5/2+) = 43 ±5 keV 

E(3/2+)−E(5/2+) = −0.037Δ −2.464SΛ +0.003SN +0.994T +ΛΣ

SΛ = −0.01 MeV

16ΛO ー Tensor InteractionーΛO   Tensor Interaction 

BNL E930(‘01) 16O(K−,π−γ)M.Ukai et. al,PRL93(2004)232501

Λ

E(1−)−E(0−) = −0.382Δ +1.378SΛ −0.004SN +7.850T +ΛΣ

E(1− −>1−) = 6534.3±1.2±1.7 keVE(1 0 ) 6560 4±1 1±1 7k VE(1− −>0−) = 6560.4±1.1±1.7keV

E(1−) – E(0−) = 26.1±1.4±0.6keV

T=0 03 MeVT=0.03 MeV

7ΛLi: Completely known levels

ー N Spin‐orbit Interaction ーBNL E930(‘01) M.Ukai et. al,

10B(K−,π−)10ΛB*7

ΛLi* + 3He

Single‐γ spectrum

,PRC73(2006)012501(R)

γ γ consident spectrumγ−γ consident spectrum

E(7/2+−>5/2+) = 470.8±1.9±0.6 keV

E(7/2+,5/2+) –E(3/2+,1/2+) = E(6Li;3+)–E(6Li;1+)−0.05Δ +0.07SΛ +0.70SN −0.08T              

S 0 43 M VSN = −0.43 MeV

Identified γ‐rays from p‐shell h lhypernuceli

inconsistent

Obtained parameters & YN Interaction Models

• Spin‐spin Δ=0.43MeV– NSC97e, NSC97fの中間(spin‐spin力を調整した）

• Spin‐orbit SΛ=−0.01MeV, SN=−0.43MeV– Nijmegen Model (meson‐exchange model)j g ( g )

• −0.18

Inconsistency y

0.578 Δ + 1.41 SΛ + 0.014 SN ‐1.07 T + ΛΣ10ΛB2−

Λ NΛB195keV −15keV

Experimentally not observed !  

Shrinkage of 7ΛLiー Grue like role of Λ ー

E Hi t l6Li 7ΛLi

pnrn‐p

nrn‐p

E.Hiyama et. al,PRC59(1999)2351

417 )2/15/2B(E2;Li)( ⎤⎡ → ++R

α

p

Rcore‐(n‐p) αp

Rcore‐(n‐p)Λ

5ΛHe

6 )13 B(E2;)2/15/2 B(E2;

Li)(Li)(

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡→→

= ++−

Λ−

d

dc

RR

α

ΛHe

B(E2): transition probabilitytransition probability

～1/ττ: lifetime

Rcore‐(n‐p)

Measurement of lifetimeー Doppler Shift Attenuation Method ー

生成したハイパー核は反跳運動量を持つ。 t

J PARC E13J‐PARC E13

• Hypernuclear γ‐ray spectroscopy via (K−,π−γ)– PK=1.5GeV/c with SksMinus & Hyperball‐JK / yp

• Targets and purposes4 H CSB f 4 H– 4ΛHe CSB  c.f. 4ΛH

– 7ΛLi B(M1)  & gΛ in meaduim– 10,11ΛB ΛΣ coupling ...– 19ΛF sd‐shell hypernucleusΛF sd shell hypernucleus

77ΛΛLi: B(M1) measurement and Li: B(M1) measurement and ΛΛ in nucleusin nucleus

1+ 3/2+

J=1 J+1/2 Nuclear medium effectNuclear medium effect

6 Li

1+ 3/2

1/2+M1692keVT=0, L=0,S=1 •No Pauli blocking 

→Λ in 0s orbit63Li 7

ΛLi/

J-1/2

1

→Λ in 0s orbit•Partial restoration of chiral symmetry?

)1(1 3 MBEγτ∝=Γ

Doppler Shift Attenuation 

reduction of constituent quark massMethod

In the weak coupling limit between Λ and the core nucleus 

mass→ change of μΛ

[ ] CNJJ

ggJJMB −∝==∝ Λμμ222 )(2/12/3)1(

CC JgJg += ΛΛμ gΛ,gc: Effective ffective g factor of Λ and core nucleus, respectivelyJΛ, Jc: Total spin of Λ and core nucleus, respectively

B(M1) measurementDifficulties in B(M1) measurement

Doppler Shift Attenuation Method works only when τ < tstop τ is very sensitive to Eγ because B(M1) ∝ 1/τ ∝Eγ3. But Eγ is unknown.Cross sections and background cannot be accurately estimated.

~

To avoid ambiguities, we use the best-known hypernucleus, 7ΛLi.Energies of all the bound states and B(E2) were measured

Cross sections and background cannot be accurately estimated.Previous attempts: 10ΛB , 11ΛB (Eγ too small −> τ >> tstop ), 7ΛLi (byproduct: indirect population)

Energies of all the bound states and B(E2) were measured,γ-ray background level was measured, cross sections are reliably calculated.

τ = 0.5ps, tstop = 2-3 ps for 1.5 GeV/c (K-,π-) and Li2O target Calc. by Motobap y

(K-,π-)

PRL 84 (2000) 5963PRC 73 (2006) 012501

S=−2 SystemS= 2 System

H i l• H particle• ΛΛ hypernucleusyp• Ξ hypernucleus• Baryon‐Baryon Interaction in S=−2– ΛΛ

ΞN– ΞN– ΞN −> ΛΛ– H particle ?

S=−2 Systemー Dynamical System ー

ll d ff• small mass difference  between ΛΛ and ΞN

~ 28 MeV

– ΞN‐ΛΛ Mixing– Three‐body force via the 

ΞN‐ΛΛ interaction

Λ ΛN

L i i ff d h b d f

Ξ

Large mixing effect and three‐body forceare expected in S=−2 system.Λ Λ N

Studies of S= 2 System at J PARCStudies of S=−2 System at J‐PARC• E03: Measurement of X rays from Ξ− atomsy

– atomic level shift• Ξ‐A Potential (surface)

• E05: Spectroscopy study of Ξ‐hypernucleus, 12ΞBe, via the 12C(K−,K+) reaction– Ξ‐A Potential ( interior)– ΞN, ΞN−>ΛΛ interaction

• E07: Systematic study of double strangeness systems with an emulsion‐counter hybrid method– double‐Λ hypernuclei  ‐ ΛΛ interaction– twin‐Λ ‐ Ξ Potential (interior)– X‐rays from Ξ‐atom ‐ Ξ Potential (surface)

Production & Measurement of S=−2 System

p + K− > Ξ− + K+p + K −> Ξ + K+

Quasifree Ξ Production~1.8 GeV/c

Direct productionReaction Spectroscopy

Ξ Hypernuclei

Double Λ Compound StatesΞ− Atom

X‐rays measurements

Double Λ Fragment

Decay measurementsDecay measurementsEmulsion

Nagara Event & ΛΛ InteractionNagara Event & ΛΛ Interaction

A:H.Takahashi et. al, PRL87(2001)212502KEK E373

A:12C + Ξ− −> 6ΛΛHe + 4He + 3H

H.Takahashi et. al, PRL87(2001)212502

B:6

ΛΛHe −> 5ΛHe + p + π−

BΛΛ = 7.25±0.19       MeVΔBΛΛ = 1.01±0.20        MeV

+0.18−0.11+0.18−0.11

assuming BΞ− = 0.13 MeV 

(3D state)

0.

( )Weakly attractive ΛΛ Interaction

MH ≧ 2223.7 MeV

Ξ Potential & High Density Nuclear Matter

Λ Σ Ξ K i h f N S

μ B = m B +kF

2

2m B+ U (k F )

Λ, Σ−, Ξ−, K− in the core of Neutron‐Star

m B

depends on Mass, Charge, and PotentialUΣ 0

Baryon‐Baryon Interaction ModelUΞ and Partial Wave Contributions in Nuclear Matter

(MeV)

Model T 1S0 3S1 1P1 3P0 3P1 3P2 UΞ ΓΞ

NHC-D 0 −2.6 0.1 −2.1 −0.2 −0.7 −1.91 −3.2 −2.3 −3.0 −0.0 −3.1 −6.3 −25.2 0.9

Ehime 01

−0.91 3

−0.58 6

−1.00 8

0.30 4

−2.41 7

−0.74 2 22 3 0 51 −1.3 −8.6 −0.8 −0.4 −1.7 −4.2 −22.3 0.5

ESC04d* 01

6.37 2

−18.4−1 7

1.2−0 8

1.5−0 5

−1.3−1 2

−1.9−2 8 −12 1 12 7

• OBE (NHC‐D, Ehime)odd state attraction

1 7.2 1.7 0.8 0.5 1.2 2.8 12.1 12.7

• ESC04d*strong attraction of 3S (T=0)– odd‐state attraction

– strong A‐dependence of VΞ– Narrow width

– strong attraction of 3S1(T=0)– Large width

Narrow width

12C(K−,K+) Missing Mass SpectroscopyC( , ) ss g ass Spect oscopy

PKh t t l

BNL AGS E885KEK E224 T.Fukuda et. al,PRC58(1998)1306 P.Khaustov et. al,

PRC61(2000)054603

ΔM=10MeV(FWHM)

PRC58(1998)1306

ΔM=13MeV(FWHM)

ΔM=10MeV(FWHM)for H(K−,K+)Ξ−

VΞ = −14 MeV ?

W.S. Potential Calc.with  Γ=1MeV

E05: Spectroscopic Study of Ξ‐Hypernucleus, 12

ΞBe, via the 12C(K−,K+) Reaction

• Missing mass spectroscopy via the (K−,K+) reaction– K1.8 Beam Analyzer   1.8GeV/c K−

• Δp/p = 3.3x10−4

– SksPlus Spectrometer ~1 3GeV/c K+– SksPlus Spectrometer   1.3GeV/c K• 30msr• Δp/p = 0.17%

20 – ΔM=3MeV(FWHM)

• The first observation of 

VΞ = −20 MeVp Ξ

Ξ hypernuclear states– Ξ‐Nucleus Potential– Ξ‐N Interaction

s Ξ– Ξ‐N Interaction– Ξ‐N −> ΛΛ Conversion VΞ = −14 MeV

RCSRCS

ννＭＬＦ

HDHDBird’s eye photo in Feb. 20082008/10/27 48特定領域研究会2008 

Hadron Hall 2008 Dec 3Hadron Hall 2008 Dec. 3

K1 8 Beamline at Hadron HallK1.8 Beamline at Hadron Hall

ES2

K1.8 beamline Phase‐II (750kW) Phase‐I (270kW)

ES1

Length  [m] 45.853

Acceptance [msr %] 1.4

K‐ intensity (FF) @1.8GeV/c 6.6x106 1.4x106y ( ) @ /@1.5GeV/c@1.1GeV/c [ppp]

2.7x106

3.8x1055.4x105

8.0x104

K‐/(p‐+m‐)  @1.8GeV/c 4.0 3.5

SKS MagnetSKS Magnet北ＣＨでの解体 ・コイル容器取り出し(2008.1) J‐PARCハドロンホール

への輸送 (2008 9)への輸送 (2008.9)

残りヨーク解体 (2008.9) コイル容器改造終了@東芝京浜工場(2008 10)@東芝京浜工場(2008.10)

2008/10/27 51 特定領域研究会2008 

まとめ ーハイパー核の物理ーまとめ ーハイパー核の物理ー

排他律を受 な 粒 注• Pauli排他律を受けない粒子の注入– 原子核構造の変化原子核構造 変化– ハドロン（ハイペロン）の性質の変化 を探るバリオン間相互作用• バリオン間相互作用– SU(3)fに拡張して、核力を理解する。

• S=−2のハドロン多体系J PARCで本格的に開始– J‐PARCで本格的に開始

– multi‐strangeness系（高密度、、）への第１歩

backup

44ΛΛHe: He: Spin dependent Charge symmetry breaking Spin dependent Charge symmetry breaking

(CSB) in (CSB) in ΛΛN interactionN interaction• Lightest mirror hypernuclei → ΔBΛdirect measure of ΔEcsb,ΛN : 

ΔBΛ≈ ΔEcsb,ΛN

( )( )

keVHBHeBB 70)()( 44 ±=−=Δ ΛΛΛΛ 350

• CSB effect in NN interaction calculated from 3H and 3He ΔEcsb ΝN

keVHEHeEE 160)1;()1;(

)()(44 ±=−=Δ +Λ

+ΛΛ

ΛΛΛΛ

270

CSB effect in NN interaction calculated from  H and  He ΔEcsb,ΝN≈ 80keV (Faddeeve calculations, Y.Wu et. al., PRL 64 1875 (1990))

A few times larger CSB effect in A few times larger CSB effect in ΛΛN than in NN ??N than in NN ??

(K-,π- )

Re measure withRe‐measure with 0.5% accuracy 

4ΛHe and CSB

Observed CSB looks spin-independent.

??ΛN-ΣN coupling gives spin-dependent CSB.

??

Very large CSB !?

stop K- on 6Li by NaI (1979)

Liq. 4He 25cm (1.25 g/cm2)10 hours

Very large CSB !?Not theoretically understood.

stop K- on 6Li by NaI (1979)4

ΛHe: Only one dataBad quality

4ΛH* : (e,e’K+) at Jlab

(K-,π0γ) at J-PARC

1010ΛΛB: the puzzleB: the puzzle

Shell model prediction10B  (K‐,π‐ γ) 10ΛB 0.8~0.93GeV/c(BNL E930)

Experimentally not observedExperimentally not observed3/2-

2-0.578 Δ + 1.41 SΛ + 0.014 SN ‐1.07 T + ΛΣ

195keV ‐15keV

(BNL‐E930) 

EEγγ Experimentally not observed:Experimentally not observed:(1)Eγ below experimental sensitivity      

→ E  ‐15keVThree‐body force by ΛΣ coupling• better wave function for 9B

(2) 2‐ (non spin‐flip) and 1‐ (spin‐flip) reversed in energy

p g‐‐ Not well known

reversed in energy• pk= 0.8~0.93GeV/c (BNL E930)

→ non spin‐flip population→ non spin flip population• pk = 1.8GeV/c (E13 J‐PARC)

→ spin flip/non spin flip 

Expected yield and sensitivityExpected yield and sensitivityYield estimate

NK = 0.5 x 106 /spillTarget (7Li in Li2O) = 20cm x 2.0g/cm3 x 14/30 x 0.934 / 7 x 6.02x1023

∫dσ/dΩ(1/2;1) ΔΩ x BR(1/2+;1->3/2+) = 0.84 μb x 0.5ε(Ge) x ε (tracking) = 0.7 x 0.6 => Yield (3/2+->1/2+) = 7.3 /hr(1000 spill)

= 3600 / 500 hrsBackground estimated from E419 7ΛLi spectrum

Stat. error Δτ/τ = 5.4%Δ|g -g |

Fitting result: 0.478±0.027 psSyst error < 5%

Δ|gΛ-gc||gΛ-gc|

~ 3%=>

Syst. error < 5%mainly from stopping time

H ParticleH Particle

• predicted by R.L.Jaffe in 1977– uuddss

Phys. Rev. Lett. 38 (1977) 195

– JPC = 0++

– M = 2150 MeV/c2 by MIT bag model• Color‐magnetic interaction

/⋅⋅−=Δ ∑ mm jijiji λλσσαrrrr N: # of constituent quarks

Δ 24 for H

)1(34

218/ 6 ++−=⋅⋅∑

<

<

JJCNmmji

jijiji

ji

λλσσrrrr C6: SU(6)flavor‐spin Casimir operator

– Δ=−24α for H• ΣΣ−Ξ+ΛΛ=

83

84

81 NH

888

Mass of H and ΛΛ hypernucleusMass of H and ΛΛ hypernucleus

If MH > 2MΛ, H decays to ΛΛ viastrong interaction.MH  2 MΛ – BΛΛ.

Z)(2BZ)(B Z)(B)ZM()M(2)ZM(Z)(B

1AAΛΛ

A

A2AAΛΛΛΛ

−ΛΛΛΛΛΛΛΛ

ΛΛ−

−=Δ−Λ+=

ΛΛ Interaction Energy

ΛΛ Nucleus Events (1)ー Emulsionー

D.J.Prowse, PRL17(1966)782M.Danysz et. al, NP49(1963)121

10ΛΛBeor

ΔBΛΛ=4.5±0.4 MeV

6ΛΛHe ? ΔBΛΛ=4.7±1.0 MeV

11ΛΛBe ΔBΛΛ=3.2±0.6 MeV

ΛΛ Nucleus Events (2)ー Couter‐Emulsion Hybrid Method ー

S.Aoki, et. al, KEK PS E373Prog. Theor. Phys. 85 (1991)1287

KEK PS‐E176

KEK PS‐E373

Demachiyanagi‐Event

Ξ 12C 10 B (*) tΞ− + 12C −> 10ΛΛBe(*) + tBΛΛ =  12.3±0.2      MeVΔBΛΛ = −1.1±0.2       MeV(g.s.)

0 3

+0.3−0.1+0.3−0.1

side‐view

ΔBΛΛ =    1.9±0.2       MeV(e.s.)+0.3−0.1

3‐body case3‐body caseΔBΛΛ > 1.5      MeV

+2.4−0.7

10ΛΛBeor

ΔBΛΛ = ‐4.9±0.7 MeVor

13ΛΛB ΔBΛΛ = 4.9±0.7 MeV

Counter‐Emulsion Hybrid Methodー KEK PS E373 ー

• Identify Ξ− production via the (K−,K+) by spectrometer• Measure the track of Ξ− by SciFi‐Bundle detector • Search for Ξ− absorption point (and its decay) in the emulsion• Search for Ξ absorption point (and its decay) in the emulsion

Twin Λ Hypernuclei EventsTwin Λ Hypernuclei EventsSecond Event in E373

Ξの吸収点から２つのΛハイパー核が生成

Ξの束縛エネルギーを求める

Twin Λ Hypernuclei EventsTwin Λ Hypernuclei Events• E176 Yokohama Event • E373 First Event PLB500(2001)37

– Ξ−+12C−>4ΛH+9ΛBe BΞ=0.54±0.20 MeV– Ξ−+14N−>4ΛH+11ΛB BΞ=0.35±0.20 MeV– Ξ−+16O−>4 H+13 C B =6 62 MeV

– Ξ−+14N−>5ΛHe+5ΛHe+4He+nBΞ=−2.6±1.2 MeVconsistent with the capture +0.23

Prog. Ther. Phys. 89(1993)493

– Ξ + O−> ΛH+ ΛC BΞ=6.62 MeV

• E176 Korea Event– Ξ−+12C−>4ΛH+9ΛBe BΞ=3.70            MeV

12 4 9

from the atomic oribit

• E373 Second Event– Ξ−+12C−>7ΛLi(*)+6ΛH

+0.18

‐0.22

‐0.190 18

PLB355(1995)45

– Ξ−+12C−>4ΛH+9ΛBe* BΞ=0.62            MeV– Ξ−+12C−>4ΛH*+9ΛBe BΞ=2.66            MeV

• E176 Kariya Event

Ξ + C > ΛLi( )+ ΛH BΞ=1.6±0.3 MeV  (g.s.)

BΞ=0.9±0.3 MeV (e.s.)– Ξ−+12C−>7 Li(*)+5 He+n

+0.18

+0.18‐0.19

‐0.19

Ξ + C > ΛLi( )+ ΛHe+nBΞ=1.1±0.4 MeV  (g.s.)

BΞ=0.4±0.4 MeV  (e.s.)Ξ−+14N >9 Be(*)+5 He+n– Ξ +14N−>9ΛBe( )+5ΛHe+nBΞ=10.0±1.0 MeV  (g.s.)

BΞ= 6.9±1.0 MeV  (g.s.)

E373 Thi d E t

Attractive Potential for Ξ‐A and Ξ‐N ?

• E373 Third Event

中性子過剰ハイパー核を探る中性子過剰ハイパー核を探る （（E10 E10 実験）実験）

ハイパー核に関する研究

(K π)や (π K)反応を用いるのが主流

ハイパー核の構造ハイペロン・核子間力バリオン間力の統合的理解

通常の原子核 従来のハイパー核研究 J‐PARCで可能になる

(K,π) や (π,K) 反応を用いるのが主流 バリオン間力の統合的理解

通常の原子核 従来のハイパ 核研究ハイパー核研究

(K-,π-) 反応(π+,K+) 反応などを利用

荷電交換なし

中性子過剰ハイパー核

２重荷電交換反応(DCX)

(K-,π+)および (π-,K+) 反応を利用ハイパ 核の生成・研究

中性子過剰ハイパー核の特徴中性子多数環境のハイペロン・核子間力

ラムダ・シグマ混合中性子星の構造

ラムダ・シグマ混合の効果 中性子数とハイパー核構造の変化

中性子多数環境のハイペロン 核子間力

過剰中性子による構造変化

中性子星の構造より多様な核構造

ラムダ・シグマ混合の効果 中性子数とハイパー核構造の変化

コアが結合の強い通常の通常の原子核原子核

ラムダラムダハイパー核ハイパー核

原子核の場合ΔΔNN

ΣΣNN

原子核原子核 ハイパー核ハイパー核原子核原子核 Λ

コア核＋ラムダ

nary

ΛΛNN290MeV77MeV

励起励起Λ

コアが結合の弱い原子核の場合

Ordi

ΛΛNN290MeV通常原子核の通常原子核の場合の場合の1/4 1/4 の差の差

励起励起原子核原子核

Λ

n

コア核変形（励起）

ラムダ 核子間力が強くなる

NNNN →→ 大きな混合大きな混合

ハイパー核ハイパー核

n中性子過剰

ハイパー核の場合

ハイパ 核

Exotic

ラムダ・核子間力が強くなる

中性子星の内部構造・進化

ハイパー核＋中性子ハロー