The interaction of K⁻-mesons with photographic emulsion nuclei

Summary

The 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.

Riassunto

È 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.