Investigation of Baryon Interactions with Strangeness

( Group‐B01 )2020/1/23

T.Takahashi (KEK‐IPNS)

Contents

• Overview of Group‐B01 researches• Subjects and status of experiments at J‐PARC

• E40: p scattering• E42: Search for H‐dibaryon• E03: X‐ray spectroscopy of ‐atom

• Summary

Cluseters of strange hadrons for investigating hierarchical structure of matter (Group‐B01)

PI: H.Tamura (Tohoku U.), CI: T.Nagae (Kyoto U.), T.Takahashi (KEK), K.Miwa(Tohoku U.)

1. Origin of nuclear force  NN → YN and YY

su

u udu p

p, p scattering exp.

d

u u

dss

Search for H‐dibaryon

6q  d

s udd

ns

Search for n bound nucleiN int. & ‐nuclei

2. Meson‐Baryon molecule

s

uu d

u

p

K‐

(1405)=“Kp”Strucure of “Kppp” nucleus

KpKp nucleus

3. In‐medium baryon properties

Modification of g in medium

Slide by Koji Miwa

Baryon Baryon interaction by Lattice QCD

(27)

(10*)

(8s)

(10)

(8a)(1)

Lattice QCD calc.T. Inoue et al.Prog. Theor. Phys. 124 (2010) 4

Strong repulsive core

Weakly repulsive or attractive Core

+p (S=1, T=3/2) p (S=0, T=1/2)

p (T=0)

6 independent forces in flavor SU(3) symmetry8〇8 =x

color magnetic interaction

quark Pauli effect

J-PARC E40

Flavor singlet (H-Channel)J-PARC E42

J‐PARC E40: ±p Scattering Experiment （Miwa et al.)

production via ±p→K+±

p = 0.4 ~ 0.8 GeV/c

400 mm

K+

p

n

p

Ep Cylindrical

Fiber Tracker

BGO calorimeterCATCH detector

Very large repulsive core is predicted in N (T=3/2,S=3/2)

due to quark Pauli effect

Liq H2 target

Slide by K. Miwa

Measure d/d for p, p, p->n 20M /spill

History of E40: ‐proton scattering exp.• Feb. 2018 

• Detector Commissioning • June 2018 

• p 1st production run (2 days)• Feb. ー Apr. 2019

• p 2nd production run (20 days) done• p 1st production run (13 days)

terminated due to Acc. trouble• Feb. 2020 ー

• p 2nd production run (14 days) to be completed

p → p

p → n

Slide by K. MiwaKinematical matchingp (direction, E)

direction

p (direction, E)

direction

CMcos-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

(mb/

sr)

/d

d

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

p scattering at 0.55 < p(GeV/c) < 0.65)- (/ddSimulationCross section in simulation600MeV/c NSC97fESC08600 MeV/c fss2600 MeV/c chiral EFTE289 data (0.4<p(GeV/c)<0.7)

CMcos-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

(mb/

sr)

/d

d

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

n scattering (0.45 < p(GeV/c) < 0.55) p -

Simulation

Cross section in simulation

500MeV/c NSC97f

500 MeV/c fss2

ESC08

500 MeV/c chiral EFT

p → p (0.55 < p (GeV/c) < 0.65) p → n (0.55 < p (GeV/c) < 0.65)

Data (angular distribution)

out o

f acc

epta

nce

Data: Before acceptance and efficiency correction

Forward peak structure Rather flat structure

expected accuracy (simulation)

expected accuracy (simulation)

Slide by K. Miwa

H‐dibaryond

u u

dss• 6 quarks (uuddss) system with I=0, J=0+

• Deeply bound state was predicted by R.L.Jaffe in 1977→ Deeply bound state was rejected by NAGARA event (6He)

MH≧ 2M 7.25 MeV• lattice QCD simulation at almost physical point

• exist around near N threshold !?• No experimental evidence

ΞNΣΣΛΛHBB84

83

81)1(

Lattice QCD calculation for H dibaryon

10

Physical π massPhysical π mass

Calculation atalmost physics point

P.E. Shanahan, A.W. Thomas, and R.D. Young, PRL 107 (2011). 

K. Sasaki for the HAL Collab., Reimei 2016, Inha (2016).

Exist aroundΞN threshold？

HAL QCD arXiv:1912.08630v1 18‐Dec‐2019

N

weakly attractive

attractive

N (quasi) bound states?

Weak N→ conversion

11S0 interaction

Lattice QCD vs ALICE data

12

Past experiment for H‐dibaryon

13

C.J. Yoon et al., PRC 75, 022201 (2007).

KEK E522:“pp”(K‐, K+)ΛΛ reaction

with SciFi active target (CH2)

Hint of H dibaryon?

B.H. Kim et al., PRL 110, 222002(2013).

Belle data: ΛΛ invariant mass 

from Y(1s) and Y(2s) decayNo peak was observed

J‐PARC E42 experimentH‐dibaryon search by using “pp”(K‐, K+)H reaction with diamond target

HyperonSpectrometer

HypTPC

K⁻ beam K+

KEK E522 J‐PARC E42

14

σΔM~ 5 MeV90 ΛΛ evens

σΔM ~ 1 MeV1.5×104 ΛΛ events

Simulation

Sensitivity

From 29th J‐PARC PAC by J.K.Ahn

H→  p H→  H→  p

E42: Schedule at K1.8 of J‐PARC HEF

• Feb. ‐Mar. 2020 E40 physics run• Parasite test of TPC detector

• Apr. ‐ Oct. 2020 Setup KURAMA spectromter• Excitation test of H.S. magnet with KURAMA magnet  

• Nov. 2020 E03 physics  run• KURAMA detector (Water Cherenkov) & trigger study

• Dec.2020 ‐ Feb.2021 H.S. installation• Mar. ‐ Apr. 2021 E42 comm. + physics run

N interaction & ‐NucleiSeveral event‐samples on  ‐ 14N system

Nuclearboundstates

Slide by J.Yoshida

Outline of the E03 experiment• World first measurement of X‐ray from Ξ− atom

→ Direct information on the Ξ‐nucleus(A) optical potential

• First step of systematic measurements to obtain 10% statistics of the original proposal.

→ Establishing experimental method in this experiment

Method: ‐ Produce Ξ− by the Fe(K−,K+) reaction

Magnetic spectrometers for K±

‐ Stop Ξ− in the target → Ξ− atomDense Fe target

‐Measure X raysGe detectors

Ξ− atom

X rayabsorption

Ξ−

Fed ss

X ray

Ξ−K−

K+

Fe target

Level scheme of Fe Ξ− atomEn

ergy [a

rbitrary scale]

I (orbital angular momentum)

Ξ−

Fe

n=5

n=7→6 :  X‐ray energy = 172 keV   ← small shift/widthn=6→5 :  X‐ray energy = ~286 keV   ← finite shift/width due to ΞN interaction

expected shift ~ 4keV,  width(Γ) ~ 4keV(theoretical case study with W.S. pot. of ‐24‐3i MeV)

Ξ−

Fe

n=6

n=7

Nuclear absorption

Nuclear absorption

w/o st. int.Energy shift

Level scheme of Fe Ξ− atomEn

ergy [a

rbitrary scale]

I (orbital angular momentum)

Ξ−

Fe

n=5

n=7→6 :  X‐ray energy = 172 keV   ← small shift/widthn=6→5 :  X‐ray energy = ~286 keV   ← finite shift/width due to ΞN interaction

expected shift ~ 4keV,  width(Γ) ~ 4keV(theoretical case study with W.S. pot. of ‐24‐3i MeV)

Ξ−

Fe

n=6

n=7

Nuclear absorption

Nuclear absorption

w/o st. int.Energy shift

Observable

Ge detector

Level scheme of Fe Ξ− atomEn

ergy [a

rbitrary scale]

I (orbital angular momentum)

Ξ−

Fe

n=5

n=7→6 :  X‐ray energy = 172 keV   ← small shift/widthn=6→5 :  X‐ray energy = ~286 keV   ← finite shift/width due to ΞN interaction

expected shift ~ 4keV,  width(Γ) ~ 4keV(theoretical case study with W.S. pot. of ‐24‐3i MeV)

Ξ−

Fe

n=6

n=7

Nuclear absorption

Nuclear absorption

w/o st. int.Energy shift

Observable

Sensitive to potential shape

Ξ- wave function

ΞA optical potential

tρ potential

Nijimegen D→ G‐matrix

Ge detector

Phase‐1 Physics run in Nov. 2020

Summary• Group‐B01 researches aim to investigate the origin of nuclear force, meson‐baryon molecule, and hadron properties in medium, by adding strangeness (s‐quark) .

• Three experiments to investigate baryon‐baryon interactions; YN scattering, H‐dibaryon, and ‐atom, are in progress or carried out soon at J‐PARC.