32
Hadron physics experiments at JPARC K. Ozawa (KEK) 2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 1

Hadron physics experiments at J PARC · 2014. 8. 22. · • Experiment at J‐PARC II – Meson properties in nucleus 2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 2. Hadronand Hadron Physics

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

  • Hadron physics experiments at J‐PARC

    K. Ozawa (KEK)

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 1

  • Contents• Introduction

    – What is hadron physics?– What is J‐PARC?

    • Experiment at J‐PARC I – Charmed Baryon Spectroscopy 

    • Experiment at J‐PARC II– Meson properties in nucleus

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 2

  • Hadron and Hadron Physics• Hadron is a particle which have a “strong interaction”– Baryons, such as protons, neutrons– Mesons, such as mesons, mesons,  … – Naively speaking, particles which consist of “quark”s

    • So many hadrons are observed by now

    • Hadron physics is a natural extension of nuclear physics to study following topics– Internal structure of baryons and mesons– Origin of interactions between hadrons– Nucleus as a nuclear matter   

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 3

  • Quarks

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 4

    Proton

    Currently, observed quarks

    u

    u d

    up charm top

    down strange beauty

    • There are three generations. The second and third generations have the same role, but heavier masses.

    • Using heavier quarks, nucleus and hadron interactions can be studied using a different way.

    Charge +2/3

    Charge ‐1/3

    1Generation 2 3

    Light Heavy

    Our world consists of up and down quarks

  • Example: Strangeness Nuclear Physics

    • Let’s think about baryons which contain a strange quark. 

    • Such baryons can avoid a “Pauli‐blocking” and we can put it deep inside a nucleus.  

    • Such baryons have a similar energy state with a nucleon and we can study nucleon state levels in nucleus directly. 

    • At KEK‐PS, an experiment is performed to study  baryon states in nucleus.

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 5

    PRC 64 (2001) 044302

    ‐> U = ‐ 28 MeV(c.f. UN ~ ‐50 MeV)

    Strange baryon () states measured at KEK_PS 

    Energy States are clearly seen.Binding Energy is different

    It is important as a basic information for a neutron star

  • Requirements for experiments• To perform such experiments, we need

    – Relatively high energy beam • Pair production of strange quarks ~ 1000 MeV• Charm quark ~ 3000 MeV

    – High intensity • To cope with small cross section

    – Several beam species• meson, Strange meson (K meson), Anti‐proton, muon

    • To achieve such requirements, we construct an accelerator complex– Japan Proton Accelerator Research Complex (J‐PARC) provides a high intensity proton beam and generate several secondary beams

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 6

  • J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex)

    J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex)

    Tokai, JapanTokai, Japan

    50 (30) GeV Synchrotron (15 A)

    400 MeV Linac (350m)

    3 GeV Synchrotron (333 A)

    Material and Biological Science Facility

    World-highest beam intensity : ~ 1MW x10 of BNL-AGS, x100 of KEK-PS

    Neutrino Facility

    Hadron Hall60m x 56m

    2014/8/22 7K. Ozawa, CNS Summer School

  • 30 GeV Accelerator & Hadron Experimental Facility

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 8

    Branch Point from Acc. to Hadron

    Transfer Line from Acc. to Hadron

    Hadron Experimental Facility

    Current Production target for secondary beams 

    New Beamline (under construction)

  • K. Ozawa, CNS Summer School 9

    Hadron Experimental Facility

    K1.8BR

    KL

    K1.8

    K1.1High-p

    COMET

    Name Species Energy IntensityK1.8 ±, K±

  • KL

    North side

    South side

    SKS

    K1.8BR

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 10

  • New Beam Line is under construction

    Construction of New Beam Line is on‐going. Multi Purpose beam line for following beams

    Primary Proton Beam (30GeV),  1010‐12 per spillHigh Momentum un‐separated secondary beam (20GeV/c), 108 per spillPrimary Proton Beam (8GeV) for COMET

    PhysicsHadrons in nucleusHadron spectroscopy mu‐e conversion (COMET)

    2014/8/22 11K. Ozawa, CNS Summer School

    In this lecture, I will introduce new experiments using a new beam line.

  • Experiments @ new beam line

    • Internal Structure of Hadron– Charmed baryon spectroscopy can provide essential information,  especially for Di‐quark correlations

    • Hadrons in nucleus– Hadron mass is dynamically generated and strongly related with nuclear medium properties.

    – Experimental information of hadron mass in nucleus

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 12

  • INTERNAL STRUCTURE OF HADRON (PROTON, PION, … ) 

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 13

  • Structure of  proton and meson• Several experimental data 

    support existence of quarks in proton and meson– Electron‐proton scatterings 

    show internal structures• R.W. McAllister and R. 

    Hofstadter, Phys rev. 102(1956), 851

    • M. Breidenbach et al., Phys. Rev. Let. 23(1969), 935

    • “Quark model” including strange quark explains existing baryons and mesons very well  – Proton and baryons contain 

    three quarks– Mesons contain quark – anti‐

    quark 

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 14

    Spin 0

    Baryon

    Spin 1/2

    Meson

    Spin 3/23  3  3

    3  3

  • Properties of interaction btw quarks• Measurements of excitation states are always a good method to study a structure. 

    • Especially, meson is a two‐body system and excitation states can be measured as excited resonances.– Measurements of charmonium (charm – anti‐charm mesons) 

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 15

    Observed charmonium states

    A potential btw anti‐quark and quark is evaluated as a/r+b*r (a,b const.). 

  • Baryons• Quark‐quark interactions and inside structure of baryons are also studied using excited states. 

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 16

    Summary table in S. Capstick, N. Isgur, PRD34 (1986) 2809• However, it is difficult to 

    extract detailed properties of quark interactions – A Baryon contain three 

    quarks and it should have many body effects 

    – Large width due to strong coupling to meson

    • Naïve quark model can’t explain the current experimental data– Additional effects should 

    be consideredColored: Observed stateBars:        Model Prediction

  • Di‐quark correlation• One of possible strong effects is a quark‐quark (Di‐quark) 

    correlationColor‐Magnetic Interaction of two quarks

    VCMI~[s/(mimj)]*(ij)(ij)

    “Good Diquark”: Strong Attraction

    VCMI(1S0,  ͞3c)  = 1/2*VCMI(1S0, 1c)[qq]                         [͞qq]

    • Diquarks are emerged due to the color magnetic interaction between two quarks. 

    • The so‐called “good diquark” has a color anti‐symmetric 3bar and spin singlet configuration. It’s strong enough.

    • One expects that a “qood diquark” may be formed in a baryon.

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 17

  • Emergent DiquarksBaryons as well as Mesons seem to be well described by a 

    Rotating String Configuration with  a universal string tension. 

    M2~LA distance of [qq]‐q/ ͞q‐q increases as L increases.

    q

    ͞q

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 18

    qq

    q

    L L

  • Emergent Diquarks

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    0 1 2 3 4 5 6 7

    NDeltaLambdaSigmaXi

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    0 1 2 3 4 5 6 7

    rho/aomega/fphi/fK*

    Baryons Mesons

    LL

    M2(GeV

    2 ) M2∝1.1L M2∝1.1L

    Baryons as well as Mesons seem to be well described by a Rotating String Configuration with  a universal string tension. 

    2014/8/22 19

  • Emergent DiquarksBaryons as well as Mesons seem to be well described by a 

    Rotating String Configuration with  a universal string tension. 

    “diquark”in low‐lying modes

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 20

    qq

    qA diquark-quark picture of baryons seems valid in low-lying modesHowever, it is difficult to study strength of a di-quark correlation only using light quarks, because all combination of qq contribute and interfere.

  • Charmed Baryon

    Q

    qq

    Weak Color Magnetic Interactionwith a heavy Quark

    • [qq] is well Isolated and developed

    • Level structure of Yc* provides diquark properties• “diquark mass”

    VCMI~[s/(mimj)]*(ij)(ij)

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 21

  • Level Structure and motion• When single quark picture is 

    still a good picture, excited states are degenerated. 

    • If Cqq (q=u,d) system is considered as C and di‐quark correlations, orbital motion of  is lowered due to the collectivity of the di‐quark motion.

    • Spin correlations between light quarks give additional level separations.

    2014/8/22 22

    : orbital motion: di‐quark correlation 

    K. Ozawa, CNS Summer School

    Measurements of all levels  are important

    Level pattern tell us:Mass of di‐quark Strength of di‐quark correlationSpin dependent correlation between light quarks

  • c 1/2+

    c(2455)  1/2+c(2520) 3/2+

    c(2800) ??

    c(2595) 1/2‐

    c(2625) 3/2‐

    c(2880) 5/2+

    c(2940)  ??

    DN

    c

    (GeV/c2)

    D*N

    2.3

    2.4

    2.7

    2.9

    2.6c

    Limited # of Charmed Baryons have yet been observed.

    mode

    mode

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 23

  • New Experiment:Charmed Baryon Spectroscopy

    Using Missing Mass Techniques

    D0(Yc’)

    p

    Inclusive p(‐,D*‐) Yc*+

    p(‐,D*‐p)D0

    Yc*+( p(‐,D*‐)Yc’ ) (Target)

    Charmed baryons are observed in the missing mass spectrum using p(‐,D*‐) Yc*+ reaction.In addition, the decay mode can be identified

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 24

  • What we will measure

    •  Production Rate: reflect quark configurationHeavy quark + light diquark

    •  Spectrum identified by productions Basic modes of diquark motions  (λ/ρmodes)  Spin (Heavy Quark) multiplets

    •  Decay propertiesM(Qqbar) + N(qqq)  /  m(qqbar) + Yc(Qqq)

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 25

  • Production

    p Yc*

    L

    D*

    D*, D

    One‐step,  t‐channel dominant

    λmodes are excited by a simple mechanism• HQ spin doublet• Spin/Parity from Production Ratio

    Note: Production Cross Section does not  go down at higher L due to large effective momentum transfer 

    arXiv: 1405.3445

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 26

  • 2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 27SU(3) limit Heavy Quark (HQ)

    • • •

    • • •

    MQ mq MQ mqSU(3) limit Heavy Quark (HQ)

    L = 1

    L = 2

    L = 1

    L = 2

    isotope shift ‐dep. int.

    5/2+3/2+

    3/2‐1/2‐

    L = 01/2+

    A heavy quark differentiates diquarkmotions = modes and modes are distinct ~ isotope shift

    HQ doublet

    HQ doubletIn the heavy quark limit, the heavy quark spin decouples to the others.

  • HQ doublet HQ doublet

    L = 1 L = 2L = 0

    1/2‐ 3/2‐ 5/2+ 3/2+1/2+

    1 : 2 3 : 2

    c c(2595) 

    c(2800)

    cc*

    c(2625) 

    c(2880) 

    c(2940) 

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 28

  • Decay Properties

    qq

    qqQ

    qqq

    Qq

    mode (qq) mode [qq]c ) > pD) c ) < pD)

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 29

  • Dispersive Focal Point(DP)p/p~0.1%

    Collimator (IF)

    15kW Loss Target

    Exp. TGT(FF)

    SpectrometerT1

    QQQQD

    QQD D

    D D DQ

    QQSS S

    DD QQD

    DQQ

    Magnet:D : DipoleQ : QuadrupoleS : Sextupole

    High‐res., High‐mom. Pion Beam• High‐intensity  secondary Pion beam can be delivered.

    – 2 msr・%、1.0 x 107 Hz @ 15GeV/c  • High‐resolution beam: p/p~0.1%

    – Momentum dispersion and eliminate 2nd order aberrations

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 30

  • Charmed Baryon Spectrometer

    Large acceptance ~ 60% (for D*), ~85% (for decay +) Good resolution: p/p~0.2% at ~5 GeV/c

    LH2‐target

    Ring ImageCherenkovCounter

    Internal DC

    FM magnet s

    Fiber tracker

    Beam GC

    Internal TOF

    Internal TOFDC

    TOF wall

    2m

    Decay p()

    20 GeV/cBeam

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School 31

  • 32

    Summary for charmed baryon• Charmed Baryon Spectroscopy via the (,D*‐) reactions– Shed light on “diquark”: colored object in hadrons– Clarify a Level Structure of the charmed baryons 

    • From the ground state to highly excited states of Ex~1 GeV• Independent of decay final states

    – Decay Branching Ratios (Partial Widths)• Suppressions of [qqbar]‐[qqQ] decays if “Good diquark” in Yc*• Possible assignment of spins 

    • A New Project of Hadron Physics at J‐PARCHigh‐res., High‐intensity 2ndary Beam– Large Acceptance, Multi‐Particle Spectrometer

    2014/8/22 K. Ozawa, CNS Summer School