[論文レビュー] A Search for Neutral Baryon Resonances Below Pion Threshold

X. Jiang, R. Gilman+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2002

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ジェファーソンラボの $p(e,e^\prime\pi^{+})X^{0}$ 反応において、パイオン閾値未満の狭い中性バリオン共鳴状態の高分解能欠落質量探索を実施した。欠落質量分解能が 2.0 MeV であったが、$0.97 < M_{X^{0}} < 1.06$ GeV の領域では顕著な共鳴信号は観測されず、1.004 GeV における生成率比は $(-0.35 \pm 0.35) \times 10^{-3}$、1.044 GeV では $(0.34 \pm 0.42) \times 10^{-3}$ であり、ゼロ信号と整合的であった。

ABSTRACT

The reaction p(e,e^{prime}pi^+)X^0 was studied with two high resolution magnetic spectrometers to search for narrow baryon resonances. A missing mass resolution of 2.0 MeV was achieved. A search for structures in the mass region of 0.97 &lt; M_{X^0} &lt; 1.06 GeV yielded no significant signal. The yield ratio of p(e,e^{prime}pi^+)X^0/p(e,e^{prime}pi^+)n was determined to be (-0.35 +/- 0.35) times 10^{-3} at 1.004 GeV and (0.34 +/- 0.42) times 10^{-3} at 1.044 GeV.

研究の動機と目的

• 以前の $pp \to p\pi^+X^0$ 実験で報告された 1.004、1.044、および 1.094 GeV の領域におけるパイオン閾値未満の狭い中性バリオン共鳴状態の存在を検証すること。
• 電磁的プローブを用いた高分解能欠落質量分光法による $p(e,e^\prime\pi^{+})X^{0}$ 反応において、こうした共鳴状態が検出可能かどうかを調査すること。
• 0.97–1.06 GeV の質量範囲における $X^0$ 状態の結合定数 $K_s = \sigma_{p(e,e^\prime\pi^{+})X^{0}} / \sigma_{p(e,e^\prime\pi^{+})n}$ の改善された実験的上限を設定すること。
• 自然幅が数keV程度の極めて弱く生成されるバリオン共鳴状態を高分解能連成実験で検出可能なか否かの可能性と感度を評価すること。

提案手法

• 実験はジェファーソンラボのハリィーAで、散乱電子と $\pi^+$ メソンを連成で検出する2台の高分解能磁気分光器を用いた。
• 1.722 GeV の連続波電子ビーム（33 $\mu$A）を液体水素標的に照射し、12時間にわたってデータを収集した。
• 四元運動量保存則に基づく欠落質量再構成が行われ、分解能は 2.0 MeV であった。主に標的に生じるエネルギー損失が制限要因であった。
• 電子腕ではしきい値ガス・チェレノフスキー効果カウンタと lead-glass カロリメータを用いて粒子識別を実施。ハドロン腕では、気相アクリルガラス・チェレノフスキー検出器に加え、エネルギーと速度測定を組み合わせることで $\pi^+/p$ 分離を達成した。
• 誤った連成を差し引いた後、断面積の相対的生成率を相空間体積で正規化し、$K_s$ 結果を抽出した。
• $p(e,e^\prime\pi^{+})n$ 背景尾部に3次多項式をフィットし、放射的尾部上を上回る共鳴信号の有無を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $p(e,e^\prime\pi^{+})X^{0}$ 反応において、0.97–1.06 GeV の質量範囲でパイオン閾値未満の狭い中性バリオン共鳴状態が観測されるか？
• RQ2 1.004 GeV および 1.044 GeV における $X^0$ 状態の結合定数 $K_s = \sigma_{p(e,e^\prime\pi^{+})X^{0}} / \sigma_{p(e,e^\prime\pi^{+})n}$ の上限は何か？
• RQ3 電子散乱における高分解能欠落質量分光法は、パイオン閾値未満の状態が予測する数keV程度の自然幅を持つ共鳴状態を検出可能か？
• RQ4 本研究の結果は、以前の $pp \to p\pi^{+}X^0$ および $pd \to ppX^0$ 反応における $X^0$ 状態の報告とどのように一致するか？

主な発見

• 0.97 < M_{X^{0}} < 1.06 GeV の欠落質量スペクトルにおいて顕著な共鳴構造は観測されず、$p(e,e^\prime\pi^{+})n$ 背景からの滑らかな放射的尾部と整合的であった。
• 1.004 GeV における生成率比 $K_s$ は $(-0.35 \pm 0.35) \times 10^{-3}$ と測定され、この質量での共鳴状態の証拠は示されなかった。
• 1.044 GeV における $K_s$ 値は $(0.34 \pm 0.42) \times 10^{-3}$ であり、再びゼロ信号と整合的で、統計的不確実性の範囲内であった。
• $pd \to ppX^0$ で報告された 0.987 GeV の状態についても、$K_s$ 値は $(-0.94 \pm 0.44) \times 10^{-3}$ であり、再び信号なしと整合的であった。
• 2.0 MeV の欠落質量分解能が達成された。主に標的材料内のエネルギー損失が制限要因であり、入射電子、散乱電子、および放出ピオンの経路長はそれぞれ 0.5、0.6、0.4 g/cm² であった。
• 本研究は、電子散乱における高分解能欠落質量分光法の可能性を示した。今後の改善により分解能を 0.5 MeV まで低下させ、感度を $K_s \leq 1.0 \times 10^{-4}$ まで向上させられる見通しだ。