F. R. Stannard

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 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.

The interaction and decay of K− mesons in photographic emulsion

SummaryThis paper presents Part III of the series on the interaction of K−-mesons in photographic emulsions contributed by the European K-collaboration. The mean free path for K−-interaction in flight (10÷80) MeV with hydrogen and with the complex nuclei in emulsion are compared with other recent experimental data. A number of Σ-hyperons are also investigated. From favourable examples of Σ+-p decay recorded in the emulsion the Σ+ mass is estimated asMΣ=2327.2±1.0 mc and from the hydrogen capture (K−+H) events the mass difference (MΣ--MΣ+) is found to be 14.6±1.1 me. Lifetime estimates are also given for the charged Σ hypersons:a) The best estimate for the Σ+ lifetime is obtained using only events in which the decay proton is emitted forward in the centre-of-mass system. Thus τ+=0.82−0.20+0.34·10−10 s.b) A representative value for the hypothetical Σ− lifetime as determined from 70 selected Σπ± decays is 0.71−0.12+0.19·10−10 s. The effective lifetime appears (as well as can be ascertained) to remain of the order of the Σ;+ lifetime, even in samples containing widely different proportions of Σ− hyperons. Although values are greater than the lifetimes previously reported in emulsion esperiments, it still appears possible that a genuine anomaly may exist. The observed numbers of secondary interactions by charged particles emitted from the K−-capture stars may be accounted for on the basis of proton interactions, although some contribution from deuterons is not excluded. One definite example of a fast Σ interaction (visible energy release 129 MeV) has been found in a length of 70 cm of track registered in the emulsion. The number of single scatterings in 18 cm of Σ− and 25 cm of Σ+ hyperon track in emulsion (energy interval (5÷100) MeV) are compared with that expected for Coulomb scattering by a point nucleus. Only a slight possible indication of the nuclear interaction of the Σ−-hyperon is demonstrated with the few data at present available. In K−-interactions giving (Σ+π) some 45 Σp+ and 47 Σπ+ decays were also examined for possible polarization of the decay with respect to the (Σ, π) plane of production.RiassuntoQuesto lavoro contiene la parte III dello studio sopra l’interazione dei mesoni K− in emulsione fotografica, svolto dall’European K−-Collaboration. Il cammino libero medio per interazione di mesoni K− in volo ((10÷80) MeV) can idrogeno e con i nuclei complessi dell’emulsione viene confrontato con altri recenti dati sperimentali. Da alcuni esempi favorevoli di decadimento Σ+→p la massa dell’iperone Σ+ viene valutata in (2327.2±1) me; da alcuni esempi di cattura a riposo di mesoni K− su idrogeno viene dedotta la differenza di massa tra iperone negativo e iperone positivo (MΣ--MΣ+)= (14.6±1.1) mc. È stata stimata col metodo di Bartlett la vita media degli iperoni carichi:a) la miglior stima per la vita media del Σ+ viene ottenuta usando i soli eventi in cui il protone di decadimento è emesso in avanti nel sistema del centro di massa. Si è ottenuto da 41 eventi τ+=(0.82−0.20+0.34·10−10 s.b)l’n valore indicativo per la vita media di un gruppo di presunti Σ− è stato dedotto da una scelta di 70 decadimenti in volo del tipo Σπ±, ottenendo τ−=(0.71−0.12+0.19)·10−10 s. Nei limiti della statistica e della selezione operata, questo valore di τ− sembra rimanere vicino a quello di τ+, anche in gruppi di eventi che contengono proporzioni di Σ− molto diverse. Per quanto il valore ottenuto sia maggiore di quelli riportati in precedenti lavori in lastre nucleari sembra ancora che possa esistere un’effettiva anomalia. Il numero di interazioni secondarie prodotte da particelle cariche pesanti emesse nella cattura di mesoni K− si giustifica come risultato di interazioni di protoni, con un eventuale contributo da parte di deutoni. Un sicuro esempio di interazione di Σ in volo (energia visibile 129 MeV) è stato individuato su una lunghezza di traccia di iperone di 70 cm. Il numero degli « scattering » singoli su 18 cm di traccia di Σ− e 25 cm di Σ+ (energie comprese tra 5 e 100 MeV) è stato confrontato con le previsioni relative allo « scattering » coulombiano da nucleo puntiforme: gli scarsi dati a disposizione, potrebbero suggerire una debole indicazione a favore dell’interazione nucleare dell’iperone Σ−. Infine, sono stati analizzati in vista di una possibile polarizzazione del decadimento rispetto al piano di produzione della coppia (Σ, π), 45 Σp+ e 47 Σπ+ osservati in interazioni di K− del tipo (Σ, π, 0).

A bubble chamber study of the trapping of Λ-hyperons in nuclear matter

SummaryA study is made of 2191 interactions of K−-mesons at rest in a mixture of Cr3Br and propane. From the estimated numbers of hyperons emitted, it is found that (21.3±1.8)% of the stars give rise to Λ-hyperons that remain trapped within nuclear matter. This result confirms previous work requiring the probability of trapping to be considerably greater than that inferred solely from the frequency of the production of hyperfragments observable in nuclear emulsion.RiassuntoSi sono studiate 2191 interazioni di mesoni K− in quiete in una miscela di CF3Br e propano. Dal numero stimato degli iperoni emessi, si trova che (21.3±1.8)% delle stelle generano iperoni Λ che rimangono catturati entro la materia nucleare. Questo risultato conferma un lavoro precedente che esige che la probabilità di cattura sia considerevolmente maggiore di quella dedotta unicamente dalla frequenza di produzione di iperframmenti che si osserva nell’emulsione nucleare.

Branching ratio and form of interaction for the β-decay of the Λ-hyperon

Summary102 events of the decay Λ→p+e−+ν have been found among 218 000 photos taken with the Ecole Polytechnique (1×1/2×1/2) m3, 17 kG heavy liquid bubble chamber in a 1.45 GeV/c K− beam (<2% π−) at the CERN PS. The liquid was genetron C2F5Cl, density 1.2 g/cm3, radiation length 25 cm, giving ∼87% electron detection efficiency and stopping ∼85% of protons from Λ→p+e−+ν. The branching ratio (Λ→p+e−+ν)/(all Λ) is found to be (0.78±0.12)·10−3 in agreement with previous results (1). The proton transverse momentum (and proton kinetic energy in the Λ rest system) spectra, and the e-ν correlation are incompatible (<1% probability) with those expected for either pure vector or pure scalar Λ→p+e−+ν interaction. Pure tensor or pure axial vector are less probable thanV±A, but are not excluded by the data. Assuming aV andA theory with two form factors independent of the momentum transfer, the best fit is for |CV/CA|=0.8−0.8+0.9 and with 95% confidence 0<|CV/CA|<3. Since our Λ’s are unpolarized, there are too few events to determine the sign ofCV/CA.RiassuntoSi sono trovati 102 eventi del decadimento Λ→p+e−+ν in 218 000 fotografie prese con la camera a bolle a liquido pesante di (1×1/2×1/2) m3 e 17 kG dell’Ecole Polytechnique esposta ad un fascio di K− di 1.45 GeV/c (<2% π−) del PS del CERN. Il liquido era genetron C2F5Cl, avente una densità di 1.2 g/cm3 e una lunghezza di radiazione di 25 cm, che dava un’efficienza di rivelazione degli elettroni di ∼87% ed un arresto del ∼85% dei protoni da Λ→p+e−+ν. Si trova che il rapporto di suddivisione (Λ→p+e−+ν)/(tutti i Λ) è (0.78±0.12)·10−3 in accordo con i risultati precedenti. Gli spettri dell’impulso trasversale del protone (e dell’energia cinetica del protone nel sistema di quiete del Λ) e la correlazione e-ν sono incompatibili con quelli previsti da una interazione Λ→p+e−+ν puramente vettoriale o puramente scalare. La puramente tensoriale o la puramente vettoriale assiale sono meno probabili dellaV±A, ma non sono escluse dai dati. Nell’ipotesi della teoriaV edA con due fattori di forma indipendenti dall’impulso trasferito, la migliore approssimazione è per |CV/CA|=0.8−0.8+0.9 e con una affidabilità del 95% 0<|CV/CA|<3. Poichè i nostri Λ non sono polarizzati, ci sono troppi pochi eventi per determinare il segno diCV/CA.