Nonmesonic weak decay dynamics from proton spectra of Lambda-hypernuclei

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

Feasibility study of performing high precision gamma spectroscopy of lambda lambda hypernuclei in the PANDA experiment

Hypernuclear physics is currently attracting renewed interest, due tornthe important role of hypernuclei spectroscopy rn(hyperon-hyperon and hyperon-nucleon interactions) rnas a unique toolrnto describe the baryon-baryon interactions in a unified way and to rnunderstand the origin of their short-range.rnrnHypernuclear research will be one of the main topics addressed by the {sc PANDA} experimentrnat the planned Facility for Antiproton and Ion Research {sc FAIR}.rnThanks to the use of stored $overline{p}$ beams, copiousrnproduction of double $Lambda$ hypernuclei is expected at thern{sc PANDA} experiment, which will enable high precision $gamma$rnspectroscopy of such nuclei for the first time.rnAt {sc PANDA} excited states of $Xi^-$ hypernuclei will be usedrnas a basis for the formation of double $Lambda$ hypernuclei.rnFor their detection, a devoted hypernuclear detector setup is planned. This setup consists ofrna primary nuclear target for the production of $Xi^{-}+overline{Xi}$ pairs, a secondary active targetrnfor the hypernuclei formation and the identification of associated decay products and a germanium array detector to perform $gamma$ spectroscopy.rnrnIn the present work, the feasibility of performing high precision $gamma$rnspectroscopy of double $Lambda$ hypernuclei at the {sc PANDA} experiment has been studiedrnby means of a Monte Carlo simulation. For this issue, the designing and simulation of the devoted detector setup as well as of the mechanism to produce double $Lambda$ hypernuclei have been optimizedrntogether with the performance of the whole system. rnIn addition, the production yields of double hypernuclei in excitedrnparticle stable states have been evaluated within a statistical decay model.rnrnA strategy for the unique assignment of various newly observed $gamma$-transitions rnto specific double hypernuclei has been successfully implemented by combining the predicted energy spectra rnof each target with the measurement of two pion momenta from the subsequent weak decays of a double hypernucleus.rn% Indeed, based on these Monte Carlo simulation, the analysis of the statistical decay of $^{13}_{Lambda{}Lambda}$B has been performed. rn% As result, three $gamma$-transitions associated to the double hypernuclei $^{11}_{Lambda{}Lambda}$Bern% and to the single hyperfragments $^{4}_{Lambda}$H and $^{9}_{Lambda}$Be, have been well identified.rnrnFor the background handling a method based on time measurement has also been implemented.rnHowever, the percentage of tagged events related to the production of $Xi^{-}+overline{Xi}$ pairs, variesrnbetween 20% and 30% of the total number of produced events of this type. As a consequence, further considerations have to be made to increase the tagging efficiency by a factor of 2.rnrnThe contribution of the background reactions to the radiation damage on the germanium detectorsrnhas also been studied within the simulation. Additionally, a test to check the degradation of the energyrnresolution of the germanium detectors in the presence of a magnetic field has also been performed.rnNo significant degradation of the energy resolution or in the electronics was observed. A correlationrnbetween rise time and the pulse shape has been used to correct the measured energy. rnrnBased on the present results, one can say that the performance of $gamma$ spectroscopy of double $Lambda$ hypernuclei at the {sc PANDA} experiment seems feasible.rnA further improvement of the statistics is needed for the background rejection studies. Moreover, a more realistic layout of the hypernuclear detectors has been suggested using the results of these studies to accomplish a better balance between the physical and the technical requirements.rn

Spectroscopy of Electroproduced Light to Medium Mass Lambda Hypernuclei

The E01-011 experiment at Jefferson Laboratory (JLab) studied light-to-medium mass Λ hypernuclei via the AZ + e → [special characters omitted] + e' + K+ electroproduction reaction. Precise measurement of hypernuclear ground state masses and excitation energies provides information about the nature of hyperon-nucleon interactions. Until recently, hypernuclei were studied at accelerator facilities with intense π+ and K- meson beams. The poor quality of these beams limited the resolution of the hypernuclear excitation energy spectra to about 1.5 MeV (FWHM). This resolution is not sufficient for resolving the rich structure observed in the excitation spectra. By using a high quality electron beam and employing a new high resolution spectrometer system, this study aims to improve the resolution to a few hundred keV with an absolute precision of about 100 keV for excitation energies. In this work the high-resolution excitation spectra of [special characters omitted], and [special characters omitted] hypernuclei are presented. In an attempt to emphasize the presence of the core-excited states we introduced a novel likelihood approach to particle identification (PID) to serve as an alternative to the commonly used standard hard-cut PID. The new method resulted in almost identical missing mass spectra as obtained by the standard approach. An energy resolution of approximately 400–500 keV (FWHM) has been achieved, an unprecedented value in hypernuclear reaction spectroscopy. For [special characters omitted] the core-excited configuration has been clearly observed with significant statistics. The embedded Λ hyperon increases the excitation energies of the 11B nuclear core by 0.5–1 MeV. The [special characters omitted] spectrum has been observed with significant statistics for the first time. The ground state is bound deeper by roughly 400 keV than currently predicted by theory. Indication for the core-excited doublet, which is unbound in the core itself, is observed. The measurement of [special characters omitted] provides the first study of a d-shell hypernucleus with sub-MeV resolution. Discrepancies of up to 2 MeV between measured and theoretically predicted binding energies are found. Similar disagreement exists when comparing to the [special characters omitted] mirror hypernucleus. Also the core-excited structure observed between the major s-, p- and d-shell Λ orbits is not consistent with the available theoretical calculations. In conclusion, the discrepancies found in this study will provide valuable input for the further development of theoretical models.

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.

Kinetic energy sum spectra in nonmesonic weak decay of hypernuclei

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

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.

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.

Lambda c(+), Sigma(c), and Lambda(b) hypernuclei in the quark-meson coupling model

Charmed (and bottom) hypernuclei are studied in the quark-meson coupling (QMC) model. This completes systematic studies of charmed (Lambda(c)(+), Sigma(c), Xi(c)), and Lambda(b) hypernuclei in the QMC model. Effects of the Pauli blocking due to the underlying quark structure of baryons, and the Sigma(c)N-Lambda(c)N channel coupling are phenomenologically taken into account at the hadronic level in the same way as those included for strange hypernuclei. Our results suggest that the Sigma(c)(++) and Xi(c)(+) hypernuclei are very unlikely to be formed. while the Lambda(c)(+), Xi(c)(0) and Lambda(b) hypernuclei are quite likely to be formed. For the Sigma(c)(+) hypernuclei, the formation probability is non-zero, though small. A detailed analysis is also made about the phenomenologically introduced Pauli blocking and channel coupling effects for the Sigma(c)(0) hypernuclei.

s-wave approximation for asymmetry in nonmesonic decay of finite hypernuclei

We establish the bridge between the commonly used Nabetani-Ogaito-Sato-Kishimoto (NOSK) formula for the asymmetry parameter a(Lambda) in the Lambda p -> np emission of polarized hypernuclei, and the shell-model (SM) formalism for finite hypernuclei. We demonstrate that the s-wave approximation leads to a SM formula for a(Lambda) that is as simple as the NOSK one and that reproduces the exact results for (5)(Lambda)He and (12)(Lambda)C better than initially expected. The simplicity achieved here is indeed remarkable. The new formalism makes the theoretical evaluation of a(Lambda) more transparent and explains clearly why the one-meson exchange model is unable to account for the experimental data of (5)(Lambda)He.

Nonmesonic weak decay spectra of He-4(Lambda)

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

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