[論文レビュー] A Search for the LHCb Charmed 'Pentaquark' using Photo-Production of $J/ψ$ at Threshold in Hall C at Jefferson Lab

Z.-E. Meziani, S. Joosten+57 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、ジェファーソンラボのハリィ・サークルで液体水素標的に、ブレムストラール光子ビームを用いた閾値付近の $J/\psi$ の光生産を介して、LHCb が観測したcharm を含む五価子状態 $P_c(4380)$ および $P_c(4450)$ の高精度な探索を提案する。この実験は、高動量分光器を用いて $J/\psi \to e^+e^-$ の崩壊を検出することで、$J/\psi p$ チャネルへの結合定数が1.3%にまで低くても >5σ の感度を達成し、5%の結合定数に対しては20σを超える発見感度を予想している。

ABSTRACT

We propose to measure the photo-production cross section of $J/ψ$ near threshold, in search of the recently observed LHCb hidden-charm resonances $P_c$(4380) and $P_c$(4450) consistent with 'pentaquarks'. The observation of these resonances in photo-production will provide strong evidence of the true resonance nature of the LHCb states, distinguishing them from kinematic enhancements. A bremsstrahlung photon beam produced with an 11 GeV electron beam at CEBAF covers the energy range of $J/ψ$ production from the threshold photo-production energy of 8.2 GeV, to an energy beyond the presumed $P_c$(4450) resonance. The experiment will be carried out in Hall C at Jefferson Lab using a 50μA electron beam incident on a 9% copper radiator. The resulting photon beam passes through a 15 cm liquid hydrogen target, producing $J/ψ$ mesons through a diffractive process in the $t$-channel, or through a resonant process in the $s$- and $u$-channel. The decay $e^+e^-$ pair of the $J/ψ$ will be detected in coincidence using the two high-momentum spectrometers of Hall C. The spectrometer settings have been optimized to distinguish the resonant $s$- and $u$-channel production from the diffractive $t$-channel $J/ψ$ production. The $s$- and $u$-channel production of the charmed 5-quark resonance dominates the $t$-distribution at large $t$. The momentum and angular resolution of the spectrometers is sufficient to observe a clear resonance enhancement in the total cross section and $t$-distribution. We request a total of 11 days of beam time with 9 days to carry the main experiment and 2 days to acquire the needed $t$-channel elastic $J/ψ$ production data for a calibration measurement. This calibration measurement in itself will greatly enhance our knowledge of $t$-channel elastic $J/ψ$ production near threshold.

研究の動機と目的

• 閾値付近での光生産を通じて、LHCb が観測した隠れcharm 五価子状態 $P_c(4380)$ および $P_c(4450)$ の共鳴性を、$J/\psi \to e^+e^-$ の崩壊を検出することで確認する。
• 運動量の寄与や $t$-チャンネルの微小散乱過程による歪みを除き、真の共鳴的 $s$-および $u$-チャンネル $J/\psi p$ 生産を区別する。
• $J/\psi$ の光生産の $t$-分布および全断面積を測定し、共鳴的増幅を特定する。
• 理論的議論を解決するための重要なデータを提供し、LHCb の状態が真の五価子状態か、それとも運動論的効果かを判別する。
• 閾値付近での $t$-チャンネルの弾性 $J/\psi$ 生産をキャリブレーションし、このエネルギー領域における世界のデータを著しく増強する。

提案手法

• CEBAF の 11 GeV の電子ビームを用い、8.2–10.5 GeV の範囲をカバーするブレムストラール光子ビームを生成し、$J/\psi$ 生産の閾値とその周辺をカバーする。
• 15 cm の液体水素標的を通過させ、$\gamma p \to J/\psi p$ を $s$-、$u$-、および $t$-チャンネル過程で誘発する。
• ハリィ・サークルの2台の高動量分光器を用い、運動量および角度分解能に最適化された状態で $J/\psi \to e^+e^-$ の崩壊生成物を同時に検出する。
• 分光器設定 #1 および #2 を用い、受容性を最大化するとともに、$s$/$u$-チャンネルの共鳴的生成と $t$-チャンネルの微小散乱背景を区別する。
• ビニングド・ログ尤度解析を用い、Wilk の定理を適用して感度を評価する。$t$-チャンネル断面積と $P_c$ 共鳴の寄与を、5%の結合定数をベンチマークとしてモデル化する。
• 設定 #1 で9日間の主要データ取得を実施し、設定 #2 で2日間のキャリブレーションを実施する。これには、レプトン生産および誤った一致の制御測定を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCb が観測した $P_c(4450)$ および $P_c(4380)$ の状態が、閾値付近での光生産を通じて真の共鳴状態として確認可能か？
• RQ2 $J/\psi p$ 最終状態への結合定数が変化する場合、この実験の $P_c$ 共鳴への感度はどの程度か？
• RQ3 $J/\psi$ 生産の $t$-分布は、$s$/$u$-チャンネルの共鳴的生成と $t$-チャンネルの微小散乱過程を区別できるか？
• RQ4 閾値付近での測定された $J/\psi$ の光生産断面積は、既存の世界データや理論的モデルとどのように比較できるか？
• RQ5 LHCb の信号が運動論的増幅に起因する可能性を、この実験がどの程度まで排除できるか？

主な発見

• 本実験では、$J/\psi p$ チャネルへの結合定数が1.3%にまで低くても、>5σ の感度を達成でき、弱く結合する状態の発見が可能となる。
• 5%の結合定数の場合、感度は20σを超えるため、$P_c$ 偽説の確認または否定に高い統計的パワーを有する。
• 1.3%の結合定数に対する予想される $E_\gamma$ スペクトルは、特に $t$-分布において、$t$-チャンネル背景よりも明確な共鳴増幅を示す。
• $t$-チャンネル $J/\psi$ 生産のキャリブレーション測定により、閾値領域における世界のデータが著しく向上し、CLAS12 および SoLID プログラムに直接的な影響を与える。
• 解析により、5%の結合定数が、既存の $J/\psi$ の光生産データおよび理論的推定値と整合しており、ベンチマークとして妥当であることが示された。
• 本実験は、光生産による $P_c$ 状態の最初の直接的証拠を提供すると予想され、それらの共鳴性に関する長年の曖昧さを解消する。