E. H. S. Burhop

The interaction of K − -mesons with photographic emulsion nuclei

SummaryThe emission of Σ-hyperons from 3 037 K− capture stars at rest in nuclear emulsion has been studied. The identification of the hyperons is discussed. Charged Σ-hyperons are emitted from (17.6±1.0)% of all K−-stars while (9.6±0.6)% of them lead to the emission of both Σ-hyperons and π-mesons. The Σ−/Σ+ ratio for all stars is 0.86±0.12 while for stars in which a π-meson is also emitted it is 0.45±0.10. The difference between this latter value and the markedly different value (2.0) obtained for K−-interactions at rest in a hydrogen bubble chamber is attributed to the Fermi motion of nucleons in the nucleus, and a dependence of the relative K− transition amplitudes on the energy of relative motion of the K−-meson and nucleon. The branching ratio,R, of the number of Σ+ decays to π+ and proton respectively is 1.23±0.27. The stable prong distribution of the stars in which a hyperon is emitted, as well as the energy distribution of the Σ-hyperons at emission has been studied. About 16% of all identified charged Σ-hyperons had an emission energy above 60 MeV, and had to be attributed to multi-nucleon interactions of the K−-meson. It is estimated that the proportion of all multi-nucleon primary capture prccesses may be as high as (30÷40)%. The interaction of a K−-meson with a pair of neutrons seems to occur rarely, if at all. From the fraction of Σ+ emitting stars which also emit a π−-meson it is concluded that only about 10% of the π−-mesons fail to escape from the nucleus in which capture occurs. This could be understood if K−-capture occurs predominantly in the peripheral region of the nucleus. From a similar study of Σ− emitting stars it is found however that the proportion of π+ or π0-mesons, or both, that are absorbed in the nucleus is much higher. Estimates are made of the mean free path in nuclear matter of Σ-hyperons and π0-mesons. Most of the one-nucleon interactions leading to Σ-hyperon production take place with protons and the transition amplitudes corresponding to theT=1 state of isotopic spin is smaller than theT=0 transition amplitude.RiassuntoÈ stata studiata l’emissione di 3 037 stelle di cattura K− a riposo in emulsione nucleare. Si discute l’identificazione degli iperoni. Il (17.6±1.0)% di tutte le stelle K− emette iperoni Σ carichi mentre il (9.6±0.6)% di esse emettono sia iperoni Σ che mesoni π. Il rapporto Σ−/Σ+ per tutte le stelle è 0.86±0.12, mentre che per le stelle che emettono anche un mesone π è 0.45±0.10. La differenza tra quest’ultimo valore e il valore nettamente differente (2.0) ottenuto per le interazioni K− a riposo in una camera a bolle a idrogeno si attribuisce al moto di Fermi dei nucleoni nel nucleo ed alla dipendenza delle ampiezze relative delle transizioni K− dall’energia del moto relativo del mesone K− e del nucleone. Il rapportoR del numero dei decadimenti Σ+ a quelli π+ e protonici rispettivamente è 1.23±0.27. È stata studiata la distribuzione dei rami stabili delle stelle in cui si emette un iperone, come pure la distribuzione dell’energia degli iperoni Σ all’emissione. Circa il 16% di tutti gli iperoni Σ carichi identificati avevano energia di emissione superiore a 60 MeV ed hanno dovuto essere attribuiti alle interazioni multinucleoniche del mesone K−. Si stima che la proporzione di tutti i processi multinucleonici primari di cattura raggiunga il (30÷40)%. L’interazione di un K− con una coppia di neutroni sembra occorrere, se mai, raramente. Dalla frazione di stelle che emettono Σ+ emettendo anche un mesone π− si conclude che solo circa il 10% dei mesoni π− non abbandonano il nucleo in cui la cattura avviene. Ciò sarebbe comprensibile se la cattura K− avvenisse prevalentemente nelle regioni periferiche del nucleo. Da un simile studio delle stelle che emettono dei Σ− si trova, tuttavia, che la proporzione dei mesoni π+ o π0, o delle due specie, assorbiti nel nucleo è molto maggiore. Si valuta il cammino libero medio degli iperoni Σ e dei mesoni π0 nella materia nucleare. La maggior parte delle interazioni di I nucleone che conducono alla produzione di iperoni Σ avvengono con protoni e le ampiezze di transizione corrispondenti allo statoT=1 dello spin isotopico sono minori dell’ampiezza di transizioneT=0.

The neutron distribution in the surface of heavy nuclei

A recent study of the capture of K− mesons in light and heavy nuclei present in photographic emulsion has led to the conclusion that primary K− interactions with neutrons are, relative to interactions with protons, approximately five times more probable in heavy than in light nuclei. The ratio Mo/M1 of the K−-nucleon transition amplitudes in the T=0 and T=1 channels for hydrogen, deuterium, helium and light and heavy nuclei are discussed, and it is shown that the increased number of interactions on neutrons in heavy nuclei is unlikely to be attributable to changes in the transition amplitudes with nuclear binding energy but has rather to be explained in terms of an increased neutron to proton ratio in the nuclear periphery where K− capture mainly occurs. Various proton and neutron distributions ae discussed and it is shown that the magnitude of the effect could be understood if, for instance, in a heavy nucleus, the protons and neutrons had a distribution of Fermi shape with the same half-density radius but with the neutron surface thickness 50% greater than that of the proton distribution. Other experimental evidence for a neutron rich atmosphere in heavy nuclei, as suggested by Johnson and Teller, is briefly reviewed and the value of K− capture studies in different materials as a sensitive means of investigating the neutron distribution in the nuclear surface is discussed.

The interaction and decay of K- mesons in photographic emulsion - Part I. General characteristics of K--Interactions and analysis of events in which a charged π-meson is emitted

SummaryA total of 3 480 K−-mesons has been observed. Of these 445 interact in flight, at a mean energy of 40 MeV and only their general characteristics have been studied. Little difference has been observed between the number of unstable charged particles (Σ±-hypersons and π±-mesons) in these interactions and those in the 3 035 interactions at rest. The 3 035 K−-interactions at rest have been studied in detail. In this paper (Part I) are given the results on those interactions in which π-mesons are emitted. An estimate of the Σ-hyperon nuclear potential is based on the energy spectrum of π-mesons emitted in the K−-interactions in which the only charged particles emitted are a π-meson and a Σ-hyperon. A detailed examination of the angular distribution of 2-pronged events, and of the sign ratio of the π-mesons, the prong distribution and energy release in all events has led to an estimate of the probabilities of absorption of positive and negative Σ-hyperons in the parent nucleus, and to a partition of the events between the various primary reactions.RiassuntoÈ stato esaminato un totale di 3 480 mesoni K−. Di essi 3 035 interagiscono a riposo, 445 interagiscono in volo con un’energia media di 40 MeV. Delle interazioni in volo sono state studiate solo le caratteristiche generali. Si osserva poca differenza nel numero di particelle instabili (iperoni Σ e mesoni π) emesse nelle interazioni in volo e nelle interazioni a riposo. Le 3 035 interazioni a riposo sono state studiate particolareggiatamente. In questo lavoro (Parte I) sono presentati i risultati relativi alle interazioni nelle quali sono emessi mesoni π carichi. Dallo spettro di energia dei mesoni π emessi nelle interazioni in cui le sole particelle cariche emesse sono un mesone π e un iperone Σ è stata ricavata una stima del potenziale nucleare degli iperoni Σ. Un’analisi particolareggiata della distribuzione angolare delle stelle a due rami, del rapporto dei segni dei mesoni π, della distribuzione del numero di rami delle stelle e dell’energia totale visibile ha condotto a una stima della probabilità di assorbimento degli iperoni Σ positivi e negativi nel nucleo di origine, e a una ripartizione degli eventi tra le varie reazioni primarie.

On the observation of fast Σ-hyperons emitted from the interactions of K − -mesons with emulsion nuclei

SummaryA study of fast baryons emitted from 12 150 K− meson interactions at rest in emulsion has been made in order to determine the nature and extent of K− meson-multinucleon capture processes. Fast Σ hyperons are produced in at least 9 per cent of all interactions while direct fast Λ0 hyperon production is indicated by the presence of 3 protons with energies exceeding 200 MeV. An upper limit of 30% is obtained for multinucleon processes (not producing π mesons) from consideration of π meson emission. The energy spectra for fast Σ hyperons and fast protons are given and mass determinations on a sample of so-called fast protons have revealed about 10% of deuterons and tritons. The suggestion in K− European Collaboration Part II of an apparent infrequency of the reaction K−+n+n→Σ−+n has been confirmed and anα-particle model of K− meson multinucleon interaction has been put forward to explain both this and the emission of deuterons and tritons.RiassuntoAllo scopo di determinare la frequenza e le caratteristiche del processo di cattura « a più nucleoni » dei mesoni K−, sono stati studiate la frequenza e la distribuzione energetica dei barioni « veloci » (energia cinetica ⩾60 MeV per iperoni Σ) emessi da un gruppo di 12 150 interazioni di mesoni K− a riposo. Gli iperoni Σ carichi « veloci » sono emessi con la frequenza del (2.3±0.2)%, i negativi essendo due volte più numerosi dei positivi. La frequenza di produzione di iperoni Σ carichi e neutri nell’ipotesi di processi « a due nucleoni » può essere valutata del 9%: questo è anche un limite inferiore per la frequenza dei processi « a più nucleoni » (nei quali non vengano prodotti mesoni π). Un limite superiore si ottiene dal rapporto π±/K−, e risulta ∼30%. La presenza di protoni (non accompagnati da iperframmenti, mesoni π± o iperoni Σ±) con energia maggiore di 200 MeV indica la possibilità di produzione diretta di iperoni Λ0 in processi « a più nucleoni ». Si osserva infine che gli iperoni Σ− « veloci » sono accompagnati in due terzi dei casi da un protone di più di 30 MeV, ed è raro che siano emessi senza essere associati ad altre particelle cariche, mentre gli iperoni Σ± « veloci » sono raramente accompagnati da protoni veloci, mentre in poco meno del 40% dei casi sono l’unica particella carica emessa. Questo risultato può indicare una intrinseca rarità della reazione K−+n+n→Σ−+n, ma può essere interpretato anche come conseguenza dell’interazione del mesone K− con un gruppo di nucleoni, di cui almeno uno è un protone, e in particolare con una particellaα. Il fatto che il 10% circa dei barioni veloci sia costituito da deutoni e tritoni è in accordo con questo modello.

The interaction of K− mesons with nuclei

Abstract The experimental data for K − capture by nuclei is interpreted in terms of K − nucleon scattering amplitudes in a region of negative relative kinetic energy. It is shown that constant scattering length solutions which represent the data in the region of positive relative kinetic energy up to 100 MeV do not satisfactorily describe the interaction with bound nucleons and a modified scattering length solution is proposed. Measured values of the widths of K-mesic X-ray lines which require a strongly attractive K − nucleons optical potential are successfully interpreted in terms of K − N scattering lengths appropriate for bound nucleons. The information obtainable about relative neutron and proton density distributions in the nuclear periphery from studies of this kind is discussed. The need for more data on interaction of K − in hydrogen at low kinetic energies and at rest and in other elements at rest is emphasised.

The location and analysis of neutrino interactions in photographic emulsion

SummaryA stack of nuclear emulsion pellicles of total volume 10 litres was placed, together with two spark chambers in the neutrino beam of the CERN proton synchrotron. The tracks of secondary particles from neutrino interactions in the emulsion were observed in the spark chamber. The spark chamber tracks were used to locate the tracks produced by the same particles in the emulsion. These tracks were then followed back in the emulsion to the neutrino interaction in which they originate. Of a total of seven neutrino interactions expected to be produced in the emulsion stack during this exposure four were located in this way and their characteristics studied.RiassuntoSi è posta una pila di pellicole nucleari del volume totale di 10 litri, assieme a due camere a scintilla, nel fascio di neutrini del protosincrotrone del CERN. Si sono osservate nella camera a scintilla le tracce delle particelle secondarie dalle interazioni neutriniche nell’emulsione. Si sono usate le tracce della camera a scintilla per localizzare le tracce prodotte dalle stesse particelle nell’emulsione. Si sono poi seguite queste tracce nell’emulsione sino all’interazione neutrinica in cui si originano. Su un totale di sette interazione neutriniche che ci si attendeva si producessero nella pila di emulsioni durante l’esposizione, quattro furono individuate in questo modo e se ne sono studiate le caratteristiche.

The non-mesic interactions of K− mesons in deuterium

Abstract The Chew-Low virtual target method is adapted to the calculation of the transition rate for non-mesic capture processes of K − mesons in a mesic deuterium atom. Numerical calculations of these transition rates are carried out using the complex scattering lengths for K − -nucleon interactions derived by Ross and Humphrey from the studies made by the Alvarez group of K − capture in a liquid hydrogen bubble chamber. Rates for K − mesic transitions is of also calculated. The corresponding calculated branching ratio for K − non-mesic transitions is of the observed order of magnitude. The possibility of using measurements of the non-mesic K − transition rate in heavier nuclei for the study of nuclear correlations is briefly discussed.

K- meson capture by nuclei and the existence of a neutron halo in heavy nuclei

Abstract The evidence concerning the region of the nucleus in which the capture of K − mesons in K mesonic atoms predominantly occurs is re-examined in the light of a recent criticism. It is concluded that capture in the extreme peripheral region where the nuclear density is of the order of 5 per cent of the the central density and the existence of a neutron halo in heavy nuclei remain the most probable interpretation of the available data.