Study for the Neutrino Coherent Pion Production Experiment Yasuhiro SAKEMI Research Center for Nuclear Physics (RCNP), Osaka University T.-A. Shibata and Y. Miyachi Tokyo Institute of Technology N. Saito Kyoto University Contents Physics motivation Coherent Pion Production Proton induced CPP Neutrino beam at J-PARC Summary

~ 1 GeV Neutrino Beam @J-PARC Nucleon Spin Structure ~ strange quark polarization ~ in progress Coherent Pion Production ~ Nuclear Physics in Δ region Physics study ~ Started from Nuclear Physics point of view.. Study physics case ~ 1 GeV Neutrino Beam @J-PARC

Phase Transition in Nuclear Matter ? Phase transition of nuclear matter Pion condensation ~ Bose-Einstein condensation in the high density nuclear matter Kaon condensation …..

? ? Physics motivation Phase Transition Nuclear Force: V(r) (MeV) Distance: r (fm) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 V(1S0) RegionⅢ　　　　 RegionⅡ Region Ⅰ π 2π 　σ 　ρ 　ω Quark/Gluon Pion compton wavelength ~ Nuclear force range Nuclear Force Vacuum Phase Transition Nuclear Density : ρ(fm-3) Temperature : T Normal Density ρ0=0.12(fm-3) 2ρ0 3ρ0 Quark-Gluon Plasma Pion condensation phase RHIC & LHC Tc = 200 MeV Deconfinement & Chiral transition Neutron star GSI SIS 200 Color superconductor ? ? Critical density of phase transition into Pion Condensation phase Precursor of Pion Condensation ~ Enhancement of Nuclear Response Function related pion Study on Short range component of Nuclear Force with Neutrino Beam

Nuclear force and Pion condensation Nuclear force ~ short range correlation of the nuclear interaction 1π + 1ρ + g’ (short range: phenomenological parameter) Landau-Migdal parameters: g’~ g’NN . g’N⊿ , g’⊿⊿ Critical density of Pion condensation phase transition Sensitive to g’⊿⊿ Determine the g’⊿⊿ from Coherent Pion Production g’ 　g’NNσ1・σ2τ1・τ2 　g’NΔσ1・S2τ1・T2 　g’ΔΔS1・S2T1・T2 N N-1 g’NN Δ g’NΔ g’ΔΔ Well known from Gamow-Teller resonance Known from Quasi-free scattering Unknown

Coherent Pion Production A(ν,μ-π+)A(Ground State) ⇒ Nuclear Force ~ g’⊿⊿ Inclusive measurement Coincidence measurement of neutron and pion Observables Cross section Spectrum shape Peak position : ↓ Depend on g’ ⊿⊿ CPP μ-, n , t Particle Hole Real Pion Nucleus (G.S.) Δ spreading Quasifree Δ decay g’ΔΔ=0.33 =0.4 Osterfeld, Udagawa Interaction ~ Virtual Pion q Nucleon spreading ν, p , 3He Nucleon knockout Coherent Pion Production (CPP) Virtual pion ~ emitted from incidence proton beam Excite Δ/nucleon-particle nucleon-hole states Propagate with mixing particle-hole states Produce the real pion Target nucleus is left in the Ground State (G.S.)

Neutrino Beam Neutrino Hadron Weak interaction Nucleus Weak interaction Can prove the interior of nucleus Cross section ~ behave volume like No distortion/absorption Adler’s theorem : M~T(π(q)+N→X) Cross section, shape and peak position ~ g’⊿⊿ → Longitudinal and Transverse response should be separated… r Density Osterfeld, Udagawa Transverse response Longitudinal response Neutrino → Good Probe to study the interior of the nucleus ⇒ keep the information of nuclear interior Hadron Nucleus Can not transmit… Strong interaction Reaction ~ peripheral Sensitive to nuclear surface Distortion/Absorption effects ⇒can investigate residual interaction with high accuracy

Electron/Photon induced CPP Suggested by Prof. M. Sakuda Mixture of longitudinal and transverse responses Longitudinal Response Enhancement and Softening Transverse Response Quenching and Hardening ⊿h-⊿h interaction (g’⊿⊿) ⇒ include Transverse excitation ~ dominant Can extract Longitudinal response strength by subtracting the Transverse component measured by e/γ induced CPP

Neutrino induced CPP Theoretical work by J.Marteau Quasi-free Longitudinal → attractive Transverse → repulsive CPP Cross section ⇒ g’ΔΔ Peak ⇒g’ΔΔ Strength⇒ Precursor of pion condensation

Density dependence of g’ Neutrino beam Light ions at RCNP, Osaka A.Hosaka and H.Toki

Proton induced Coherent Pion Production…

Coherent Pion Production at RCNP, Osaka g’ΔΔ ~ extract from Coherent Pion Production p + A → n + π+ + A (g.s.) Peak shift from Delta residual interaction ΔE ≈ g’ΔΔ(ћcfpND/mp2)ρ0 Longitudinal response function :RL~ dominant at 0 degree scpp(0°) → RL → g’ (g’NN, g’ND, g’DD) Light ion induced CPP experiment status : Saclay 12C(3He,tπ+)12C(G.S.)~resolution poor/shutdown LAMPF 12C(p,nπ+)12C(G.S.)~ test experiment / shutdown RCNP 12C(p,nπ+)12C(G.S.)~ in progress Experiment Beam ~ proton 400MeV un-polarized ⊿E~100keV Target ~ 12C (100mg/cm2) Detector Netron detector ~ ⊿E~300 keV π detector ~ ⊿E~1 MeV Identification of CPP select the ground state of residual nucleus RCNP coherent pion cross section[2]. g’ΔΔ=0.33 =0.4 このために、コヒーレントパイオンプロダクション反応を用います。 この反応では、(p,n)反応を起こした際に、核内でvirtualなπが生成し、核子を次々とΔ励起させて、最終的に realなpionが放出され、標的核は基底状態に残ります。 断面積はこの図のとおりで、入射エネルギーが400MeVの場合ではおよそ、MAXで50μbです。 g’の値はcoherent pion productionの測定から２通りの方法で決定されます。 一つが断面積のピークの位置から直接求める方法で、以下の関係で表されます。 核の密度に比例している Saclayで得られた(3He,t)反応を用いたコヒーレントpion productionの断面積で、ピークの位置と強度がg’の値に敏感であることが解ります。 もう一つが0度の断面積からLongitudinalの応答関数を求め、 それからg’の値に制限をつける方法です。 ここで、より精度のよい測定を行いg’の値に制限をつけることが目的です。 To describe this process, Nuclear forces can be written as one pion and one roh meson exchange. The short range component is described with phenomenological parameter g’, that is called Landau-Migdal parameter. We would like to measure the one of them g’_delta_delta which is related with Delta-hall correlation. This plot shows the experimental result at Saclay using (3He,t) reaction together with theoretical calculation. The solid and dashed line represents the calculation with g’ =0.33 and 0.4, respectively. You can see that the magnitude and the shape of the cross section are sensitive to the choice of the g’ parameter. For these reasons, the accurate measurement of the pion coincidence spectrum is necessary to get the quantitative information on g’. correlation of cross section and g’ΔΔ[3]. [2] E. Oset, Nucl. Phys. A 592 (1995) 472. [3] T. Udagawa et al., Phys. Rev. C 49 (1994) 6.

CPP with (3He,t) reaction at Saclay First CPP data with light ion beam Could not separate ground state Forward peak ~ CPP G.S. region Excited state region

CPP Experiment NPOL2 Neutron Counter 100 m Pion detection ~ GEM Position sensitive Neutron Counter (liq Sci.) Energy resolution : 300 keV Detection efficiency : 20 % NPOL2 100 m pion counter 50 < Epi < 150 MeV target (12C) Pion detection ~ GEM coincidence

Tracking Detector: Gas Electron Multiplier Sci 1 Sci 2 GEM detector position 1 position 2 charged particle trigger tracking size: 70um pitch: 140um 200um separation 307.2 divide 50.2 Readout Board e- Ar+ amp. mux. Drift (3 kV/cm) GEM 1 Readout Board (GND) GEM 2 GEM 3 E analog LSI electron avalanche charged particle aramid carbon (6μm) ΔV ~400V analog data to ADC GEM検出器について説明します。 粒子検出のイメージは下の図の通りで、 プロトタイプで使用したGEM、Read-out Boardは上の図の通りです。 本実験用のサイズの大きいGEMについては、CERNでの設計が終わっており製作が可能な状態です。 Read-out Boardについても、同様の状態です。 有感領域が300x50で6枚のGEMと2枚のReadout Boardを使用します。

Experimental status range of CPP event CPP event selection background TOF spectrum of pion counter CPP event selection ~ need GEM detector for pion tracking Trigger sci. range of CPP event 昨年の9月と12月に行われたfeasibility test実験の結果について説明します。 中性子コースにおいてSwinger Magnet内にシンチレータを設置し、NPOL2との同時計測を行いました。 先に示した通り、シンチレータは磁石中に設置するため、 波長変換ファイバを用いて磁場の影響のない場所まで光を伝送しています。 中性子のエネルギースペクトルで、CPPのイベントは図で示される範囲内です。 下の図はシンチレータで得られたTOFとADCスペクトルです。 赤線に囲まれている範囲がπの含まれているとされる領域で、 現状ではバックグランドであるProtonとのIdentifyがはっきりとは出来ていません。 そこで、改良点としては、 ＴＯＦの距離を長くする それに加えてシールドを積むことを考えています。 また、ＧＥＭをトラッキングDetectorとして用いることで 磁石中での飛跡を性格にトレースすることができるので、速度についての分解能の向上と 飛跡のReconstructionによるBackgroundの除去が期待されます。

Neutrino induced Coherent Pion Production … 昨年の9月と12月に行われたfeasibility test実験の結果について説明します。 中性子コースにおいてSwinger Magnet内にシンチレータを設置し、NPOL2との同時計測を行いました。 先に示した通り、シンチレータは磁石中に設置するため、 波長変換ファイバを用いて磁場の影響のない場所まで光を伝送しています。 中性子のエネルギースペクトルで、CPPのイベントは図で示される範囲内です。 下の図はシンチレータで得られたTOFとADCスペクトルです。 赤線に囲まれている範囲がπの含まれているとされる領域で、 現状ではバックグランドであるProtonとのIdentifyがはっきりとは出来ていません。 そこで、改良点としては、 ＴＯＦの距離を長くする それに加えてシールドを積むことを考えています。 また、ＧＥＭをトラッキングDetectorとして用いることで 磁石中での飛跡を性格にトレースすることができるので、速度についての分解能の向上と 飛跡のReconstructionによるBackgroundの除去が期待されます。

Neutrino induced CPP First data from K2K ~ GeV energy region Coherent Pion Production data ~ not so much in GeV region First data from K2K ~ GeV energy region ⇒ need more statistics to study nuclear physics ⇒ Neutrino Factory

Neutrino beam peak around 1 GeV for “on-axis”, 0.8 GeV for “off-axis” J-PARC ν beam line Neutrino beam peak around 1 GeV for “on-axis”, 0.8 GeV for “off-axis” 1021 POT/year

Neutrino flux MC data Off-axis: 2.5° On-axis Beam energy ~ 1 GeV ~ suitable to study the nucleus in the Δ region Off-axis: 2.5° On-axis

Fermilab Intense Neutrino Scattering Scintillator Experiment FINeSSE Liq. Scintillator readout with WS fibers Target = Proton/Carbon Proposal: Fermilab LOI: BNL FINeSSE detector Prototype

Neutrino induced CPP CPP E=1 GeV →　Δ resonance region ~ π,Δ propagation in the interior of nucleus 10-15 fm2/MeV LOI (FENeSSE) CPP

What should be done next Start the study on nuclear physics possibilities with ~1 GeV neutrino beam in more detail Make clear on feasibility of physics goal Measurement accuracy of Landau-Migdal parameters g’ ~ check Understand the reaction mechanism of CPP with p/3He beam High resolution measurement of CPP with p/3He beam Feedback the experimental information into theoretical model 3. MC study ~ prepare to input the detailed effects of residual interaction (g’ etc..) into MC 4. Study the possibility at T2K Spin content of strange quark Nuclear physics with CPP

Strange Quark Content in the Nucleon Summary Nuclear physics with Neutrino Beam Understand Neutrino-Nucleus reaction mechanism New probe ~ Neutrino at J-PARC Eν~1 GeV : suitable to study⊿ properties Coherent Pion Production Neutrino Beam ~ Probe the interior of the nucleus Proton/3He Beam ~ Prove the surface, Reaction mechanism Electron Beam ~ Transverse response function Continue Physics study, Detector design Strange Quark Content in the Nucleon Phase transitions in the neutron star ~ cooling mechanism ~ depend on g’ Neutrino Beam