Observation of an Antimatter Hypernucleus

Nuclear collisions recreate conditions in the universe microseconds after the Big Bang. Only a very small fraction of the emitted fragments are light nuclei, but these states are of fundamental interest. We report the observation of antihypertritons-comprising an antiproton, an antineutron, and an antilambda hyperon-produced by colliding gold nuclei at high energy. Our analysis yields 70 +/- 17 antihypertritons (3/Lambda(H) over bar) and 157 +/- 30 hypertritons (H-3(Lambda)). The measured yields of H-3(Lambda) (3/Lambda(H) over bar) and He-3 ((3)(He) over bar) are similar, suggesting an equilibrium in coordinate and momentum space populations of up, down, and strange quarks and antiquarks, unlike the pattern observed at lower collision energies. The production and properties of antinuclei, and of nuclei containing strange quarks, have implications spanning nuclear and particle physics, astrophysics, and cosmology.

Sound waves and solitons in hot and dense nuclear matter

Assuming that nuclear matter can be treated as a perfect fluid, we study the propagation of perturbations in the baryon density. The equation of state is derived from a relativistic mean field model, which is a variant of the non-linear Walecka model. The expansion of the Euler and continuity equations of relativistic hydrodynamics around equilibrium configurations leads to differential equations for the density perturbation. We solve them numerically for linear and spherical perturbations and follow the propagation of the initial pulses. For linear perturbations we find single soliton solutions and solutions with one or more solitons followed by ""radiation"". Depending on the equation of state a strong damping may occur. We consider also the evolution of perturbations in a medium without dispersive effects. In this case we observe the formation and breaking of shock waves. We study all these equations also for matter at finite temperature. Our results may be relevant for the analysis of RHIC data. They suggest that the shock waves formed in the quark gluon plasma phase may survive and propagate in the hadronic phase. (C) 2009 Elseiver. B.V. All rights reserved.

Nonmesonic weak decay spectra of (4)(Lambda)He

To comprehend the recent Brookhaven National Laboratory experiment E788 on (4)(Lambda)He, we have outlined a simple theoretical framework. based on the independent-particle shell model, for the one-nucleon-induced nonmesonic weak decay spectra. Basically, the shapes of all the spectra are tailored by the kinematics of the corresponding phase space, depending very weakly on the dynamics, which is gauged here by the one-meson-exchange potential. In spite of the straightforwardness of the approach a good agreement with data is achieved. This might be an indication that the final-state-interactions and the two-nucleon induced processes are not very important in the decay of this hypernucleus. We have also found that the pi + K exchange potential with soft vertex-form-factor cutoffs (Lambda(pi) approximate to 0.7 GeV, Lambda(K) approximate to 0.9 GeV), is able to account simultaneously for the available experimental data related to Gamma(p) and Gamma(n) for (4)(Lambda)H, (4)(Lambda)H, and (5)(Lambda)H. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Observation of an Antimatter Hypernucleus

Nuclear collisions recreate conditions in the universe microseconds after the Big Bang. Only a very small fraction of the emitted fragments are light nuclei, but these states are of fundamental interest. We report the observation of antihypertritons-comprising an antiproton, an antineutron, and an antilambda hyperon-produced by colliding gold nuclei at high energy. Our analysis yields 70 +/- 17 antihypertritons (3/Lambda(H) over bar) and 157 +/- 30 hypertritons ((3)(Lambda)H). The measured yields of (3)(Lambda)H (3/Lambda(H) over bar) and (3)He ((3)(He) over bar) are similar, suggesting an equilibrium in coordinate and momentum space populations of up, down, and strange quarks and antiquarks, unlike the pattern observed at lower collision energies. The production and properties of antinuclei, and of nuclei containing strange quarks, have implications spanning nuclear and particle physics, astrophysics, and cosmology.

Transition amplitudes for the nonmesonic hypernuclear decay

We give general expressions for the two-body decomposition of the transition amplitudes for the nonmesonic decay of Lambda-hypernuclei within a finite-nucleus shell-model approach.

Kinematical and nonlocality effects on the nonmesonic weak hypernuclear decay

We make a careful study about the nonrelativistic reduction of one-meson-exchange models for the nonmesonic weak hypernuclear decay. Starting from a widely accepted effective coupling Hamiltonian involving the exchange of the complete pseudoscalar and vector meson octets (pi, eta, K, rho, omega, K*), the strangeness-changing weak LambdaN --> NN transition potential is derived, including two effects that have been systematically omitted in the literature, or, at best, only partly considered. These are the kinematical effects due to the difference between the lambda and nucleon masses, and the first-order nonlocality corrections, i.e., those involving up to first-order differential operators. Our analysis clearly shows that the main kinematical effect on the local contributions is the reduction of the effective pion mass. The kinematical effect on the nonlocal contributions is more complicated, since it activates several new terms that would otherwise remain dormant. Numerical results for C-12(Lambda) and He-5(Lambda) are presented and they show that the combined kinematical plus nonlocal corrections have an appreciable influence on the partial decay rates. However, this is somewhat diminished in the main decay observables: the total nonmesonic rate, Gamma(nm), the neutron-to-proton branching ratio, Gamma(n)/Gamma(p), and the asymmetry parameter, a(Lambda). The latter two still cannot be reconciled with the available experimental data. The existing theoretical predictions for the sign of a(Lambda) in He-5(Lambda) are confirmed. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Asymmetry parameter for the nonmesonic decay of 5LHe

We report the preliminary result of an exact calculation of the asymmetry parameter, alambda, in the nonmesonic hypernuclear decay, based on a one-meson-exchange (OME) model. For the case of He and including one-pion-exchange only, the result is shown not to differ considerably from the one obtained with the approximate formula widely used in the literature. In particular, the sign of alambda remains negative, in disagreement with its most recent experimental determination. Whether these facts remain true for heavier hypernuclei and in a more complete OME model is still under investigation.

Nonmesonic weak decay spectra of He-4(Lambda)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Asymmetry parameter for nonmesonic hypernuclear decay

We give general expressions for the vector asymmetry in the angular distribution of protons in the nonmesonic weak decay of polarized hypernuclei. From these we derive an explicit expression for the calculation of the asymmetry parameter, a(Lambda), which is applicable to the specific cases of He-5(Lambda) and C-12(Lambda) described within the extreme shell model. In contrast to the approximate formula widely used in the literature, it includes the effects of three-body kinematics in the final states of the decay and correctly treats the contribution of transitions originating from single-proton states beyond the s-shell. This expression is then used for the corresponding numerical computation of a(Lambda) within several one-meson-exchange models. Besides the strictly local approximation usually adopted for the transition potential, we also consider the addition of the first-order nonlocality terms. We find values for a(Lambda) ranging from -0.62 to -0.24, in qualitative agreement with other theoretical estimates but in contradiction with some recent experimental determinations.

Dynamics of hypernuclear nonmesonic weak decay

Simple and coincidence spectra of the NM weak decay of light hypernuclei have been evaluated in a systematic way for the first time. We have only considered 1N induced processes, neglecting entirely the events induced by 2N emission, as well as the effects of the FSIt's. As the theoretical frameworkwe have used the IPSM with three different parametrizations for the transition potential. The comparison with data strongly suggests that the soft π + K exchange model could be a good starting point to describe the dynamics in the NM weak decays of s- and p-shell hypernuclei. © 2012 American Institute of Physics.

Aufbau und Simulation des KAOS-Spektrometers für Koinzidenzmessungen in der assoziierten Kaonproduktion

Mit der Erweiterung des Elektronenbeschleunigers MAMI um eine dritte Stufe ist es möglich geworden, am Institut für Kernphysik Teilchen mit offener Strangeness zu produzieren. Für deren Nachweis ist die Drei-Spektrometeranlage der Kollaboration A1 um das von der GSI in Darmstadt übernommene KAOS-Spektrometer erweitert worden. Untersucht wird damit die elementare Reaktion p(e,e' K+)Lambda/Sigma0 wobei das auslaufende Elektron und das Kaon nachgewiesen werden müssen. Wird als Target nicht Wasserstoff verwendet, besteht die Möglichkeit dass sich ein Hyperkern bildet. Spektroskopische Untersuchungen an diesen bieten die Möglichkeit das Potential von Hyperonen in Atomkernen und die Hyperon-Nukleon-Wechselwirkung zu untersuchen. Aufgrund der hervorragenden Strahlqualität bei der Elektroproduktion können hier Massenauflösungen von einigen hundert keV/c² erreicht werden. Mit Hilfe von GEANT4 wurden die Detektoren und die Abbildungseigenschaften des Spektrometers simuliert. Geeignete Ereignisgeneratoren wurden implementiert. Es wurde untersucht, wie mögliche Treffermuster in den Detektoren aussehen, die von einem Trigger auf FPGA-Basis selektiert werden müssen. Ebenso konnte hieraus eine erste Abbildung der Spurkoordinaten auf die Targetkoordinaten und den Teilchenimpuls gewonnen werden. Für das Hyperkernprogramm muss KAOS unter 0° Vorwärtsrichung betrieben werden und der Primärstrahl mit Hilfe einer Schikane durch den Dipol gelenkt werden. Die Simulation zeigt hier eine nur moderate Erhöhung der Strahlenbelastung, vor allem im Bereich des Strahlfängers. Somit ist es möglich, KAOS als doppelseitiges Spektrometer in der Spektrometerhalle zu betreiben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die für sämtliche Detektoren nötige Auslese- und Steuerungselektronik in das vorhandene Datenerfassungssystem und das Steuerungssystem eingebunden. In zwei Strahlzeiten im Herbst 2008 wurden Kaonen im Winkelbereich von 20°-40° mit Impulsen zwischen 400MeV/c und 600MeV/c nachgewiesen. Die aus der Simulation gewonnenen Daten zum Trigger und zur Abbildung kamen zum Einsatz. Es konnte die für eine gute Teilchenidentifikation nötige Zeitauflösung von ca. 1ns FWHM erreicht werden. Die erreichte Winkel- und Impulsauflösung war ausreichend um Lambda und Sigma0-Hyperonen im Spektrum der fehlenden Masse leicht trennen zu können.

The scintillating fiber focal plane detector for the use of Kaos as a double arm spectrometer

The upgrade of the Mainz Mikrotron (MAMI) electron accelerator facility in 2007 which raised the beam energy up to 1.5,GeV, gives the opportunity to study strangeness production channels through electromagnetic process. The Kaon Spectrometer (KAOS) managed by the A1 Collaboration, enables the efficient detection of the kaons associated with strangeness electroproduction. Used as a single arm spectrometer, it can be combined with the existing high-resolution spectrometers for exclusive measurements in the kinematic domain accessible to them.rnrnFor studying hypernuclear production in the ^A Z(e,e'K^+) _Lambda ^A(Z-1) reaction, the detection of electrons at very forward angles is needed. Therefore, the use of KAOS as a double-arm spectrometer for detection of kaons and the electrons at the same time is mandatory. Thus, the electron arm should be provided with a new detector package, with high counting rate capability and high granularity for a good spatial resolution. To this end, a new state-of-the-art scintillating fiber hodoscope has been developed as an electron detector.rnrnThe hodoscope is made of two planes with a total of 18432 scintillating double-clad fibers of 0.83 mm diameter. Each plane is formed by 72 modules. Each module is formed from a 60deg slanted multi-layer bundle, where 4 fibers of a tilted column are connected to a common read out. The read-out is made with 32 channels of linear array multianode photomultipliers. Signal processing makes use of newly developed double-threshold discriminators. The discriminated signal is sent in parallel to dead-time free time-to-digital modules and to logic modules for triggering purposes.rnrnTwo fiber modules were tested with a carbon beam at GSI, showing a time resolution of 220 ps (FWHM) and a position residual of 270 microm m (FWHM) with a detection efficiency epsilon>99%.rnrnThe characterization of the spectrometer arm has been achieved through simulations calculating the transfer matrix of track parameters from the fiber detector focal plane to the primary vertex. This transfer matrix has been calculated to first order using beam transport optics and has been checked by quasielastic scattering off a carbon target, where the full kinematics is determined by measuring the recoil proton momentum. The reconstruction accuracy for the emission parameters at the quasielastic vertex was found to be on the order of 0.3 % in first test realized.rnrnThe design, construction process, commissioning, testing and characterization of the fiber hodoscope are presented in this work which has been developed at the Institut für Kernphysik of the Johannes Gutenberg - Universität Mainz.

Study of 3 Lambda H and 4 Lambda H in the reaction of 6 Li + 12 C at 2 A GeV

Die Produktion von Hyperkernen wurde in peripheren Schwerionenreaktionen untersucht, bei denen eine Kohlenstofffolie mit $^6$Li Projektilen mit einer Strahlenergie von $2 A$~GeV bestrahlt wurde. Es konnten klare Signale f{"{u}}r $Lambda$, $^3_{Lambda}$H, $^4_{Lambda}$H in deren jeweiligen invarianten Massenverteilungen aus Mesonenzerfall beobachtet werden.rnrnIn dieser Arbeit wird eine unabh{"{a}}ngige Datenauswertung vorgelegt, die eine Verifizierung fr"{u}herer Ergebnisse der HypHI Kollaboration zum Ziel hatte. Zu diesem Zweck wurde eine neue Track-Rekonstruktion, basierend auf einem Kalman-Filter-Ansatz, und zwei unterschiedliche Algorithmen zur Rekonstruktion sekund"{a}rer Vertices entwickelt.rn%-Rekonstruktionsalgorithmen .rnrnDie invarianten Massen des $Lambda$-Hyperon und der $^3_{Lambda}$H- und $^4_{Lambda}$H-Hyperkerne wurden mit $1109.6 pm 0.4$, $2981.0 pm 0.3$ und $3898.1 pm 0.7$~MeV$/c^2$ und statistischen Signifikanzen von $9.8sigma$, $12.8sigma$ beziehungsweise $7.3sigma$ bestimmt. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse stimmen mit der fr{"{u}}heren Auswertung {"{u}}berein.rnrnDas Ausbeutenverh{"{a}}ltnis der beiden Hyperkerne wurde als $N(^3_{Lambda}$H)/$N(^4_{Lambda}$H)$ sim 3$ bestimmt. Das deutet darauf hin, dass der Produktionsmechanismus f{"{u}}r Hyperkerne in Schwerionen-induzierten Reaktionen im Projektil-Rapidit{"{a}}tsbereich nicht allein durch einen Koaleszenzmechanismus beschrieben werden kann, sondern dass auch sekund{"{a}}re Pion-/Kaon-induzierte Reaktionen und Fermi-Aufbruch involviert sind.rn

Zerfallspionenspektroskopie leichter Hyperkerne in der Elektroproduktion

Am Mainzer Mikrotron können Lambda-Hyperkerne in (e,e'K^+)-Reaktionen erzeugt werden. Durch den Nachweis des erzeugten Kaons im KAOS-Spektrometer lassen sich Reaktionen markieren, bei denen ein Hyperon erzeugt wurde. Die Spektroskopie geladener Pionen, die aus schwachen Zweikörperzerfällen leichter Hyperkerne stammen, erlaubt es die Bindungsenergie des Hyperons im Kern mit hoher Präzision zu bestimmen. Neben der direkten Produktion von Hyperkernen ist auch die Erzeugung durch die Fragmentierung eines hoch angeregten Kontinuumszustands möglich. Dadurch können unterschiedliche Hyperkerne in einem Experiment untersucht werden. Für die Spektroskopie der Zerfallspionen stehen hochauflösende Magnetspektrometer zur Verfügung. Um die Grundzustandsmasse der Hyperkerne aus dem Pionimpuls zu berechnen, ist es erforderlich, dass das Hyperfragment vor dem Zerfall im Target abgebremst wird. Basierend auf dem bekannten Wirkungsquerschnitt der elementaren Kaon-Photoproduktion wurde eine Berechnung der zu erwartenden Ereignisrate vorgenommen. Es wurde eine Monte-Carlo-Simulation entwickelt, die den Fragmentierungsprozess und das Abbremsen der Hyperfragmente im Target beinhaltet. Diese nutzt ein statistisches Aufbruchsmodell zur Beschreibung der Fragmentierung. Dieser Ansatz ermöglicht für Wasserstoff-4-Lambda-Hyperkerne eine Vorhersage der zu erwartenden Zählrate an Zerfallspionen. In einem Pilotexperiment im Jahr 2011 wurde erstmalig an MAMI der Nachweis von Hadronen mit dem KAOS-Spektrometer unter einem Streuwinkel von 0° demonstriert, und koinzident dazu Pionen nachgewiesen. Es zeigte sich, dass bedingt durch die hohen Untergrundraten von Positronen in KAOS eine eindeutige Identifizierung von Hyperkernen in dieser Konfiguration nicht möglich war. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde das KAOS-Spektrometer so modifiziert, dass es als dedizierter Kaonenmarkierer fungierte. Zu diesem Zweck wurde ein Absorber aus Blei im Spektrometer montiert, in dem Positronen durch Schauerbildung abgestoppt werden. Die Auswirkung eines solchen Absorbers wurde in einem Strahltest untersucht. Eine Simulation basierend auf Geant4 wurde entwickelt mittels derer der Aufbau von Absorber und Detektoren optimiert wurde, und die Vorhersagen über die Auswirkung auf die Datenqualität ermöglichte. Zusätzlich wurden mit der Simulation individuelle Rückrechnungsmatrizen für Kaonen, Pionen und Protonen erzeugt, die die Wechselwirkung der Teilchen mit der Bleiwand beinhalteten, und somit eine Korrektur der Auswirkungen ermöglichen. Mit dem verbesserten Aufbau wurde 2012 eine Produktionsstrahlzeit durchgeführt, wobei erfolgreich Kaonen unter 0° Streuwinkel koninzident mit Pionen aus schwachen Zerfällen detektiert werden konnten. Dabei konnte im Impulsspektrum der Zerfallspionen eine Überhöhung mit einer Signifikanz, die einem p-Wert von 2,5 x 10^-4 entspricht, festgestellt werden. Diese Ereignisse können aufgrund ihres Impulses, den Zerfällen von Wasserstoff-4-Lambda-Hyperkernen zugeordnet werden, wobei die Anzahl detektierter Pionen konsistent mit der berechneten Ausbeute ist.