[論文レビュー] First observation of a nuclear $s$-state of a $\Xi$ hypernucleus, $^{15}_{\Xi}{ m C}$

Masahiro Yoshimoto, J. K. Ahn+47 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、エマルジョン検出器を用いた静止状態での$ξ^-$捕獲を通じて、$ξ$ハイパーヌクレウスの核状態である$^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$の最初の実験的観測を報告する。E07（J-PARC）およびE373（KEK-PS）のデータを再解析した結果、深く束縛された$ξ^-$状態を示す2件の事象が特定され、それぞれ6.27 $±$ 0.27 MeVおよび8.00 $±$ 0.77 MeV（または4.96 $±$ 0.77 MeV）の束縛エネルギーが得られ、$^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$の基底状態の形成を示している。

ABSTRACT

Bound-systems of $\Xi^-$--$^{14}_{}{ m N}$ are studied via $\Xi^-$ capture at rest followed by emission of a twin single-$\Lambda$ hypernucleus in the emulsion detectors. Two events forming extremely deep $\Xi^-$ bound states were obtained by analysis of a hybrid method in the E07 experiment at J-PARC and reanalysis of the E373 experiment at KEK-PS. The decay mode of one event was assigned as $\Xi^-+^{14}_{}{ m N} o^{5}_{\Lambda}{ m He}$+$^{5}_{\Lambda}{ m He}$+$^{4}_{}{ m He}$+n. Since there are no excited states for daughter particles, the binding energy of the $\Xi^-$ hyperon, $B_{\Xi^-}$, in $^{14}_{}{ m N}$ nucleus was uniquely determined to be 6.27 $\pm$ 0.27 MeV. Another $\Xi^-$--$^{14}_{}{ m N}$ system via the decay $^{9}_{\Lambda}{ m Be}$ + $^{5}_{\Lambda}{ m He}$ + n brings a $B_{\Xi^-}$ value, 8.00 $\pm$ 0.77 MeV or 4.96 $\pm$ 0.77 MeV, where the two possible values of $B_{\Xi^-}$ correspond to the ground and the excited states of the daughter $^{9}_{\Lambda}{ m Be}$ nucleus, respectively. Because the $B_{\Xi^-}$ values are larger than those of the previously reported events (KISO and IBUKI), which are both interpreted as the nuclear $1p$ state of the $\Xi^-$--$^{14}_{}{ m N}$ system, these new events give the first indication of the nuclear $1s$ state of the $\Xi$ hypernucleus, $^{15}_{\Xi}{ m C}$.

研究の動機と目的

• 静止状態での$ξ^-$捕獲を用いて、$^{14}_{}{^m\text{N}}$における深く束縛された$\Xi^-$状態を同定および特徴付けること。
• 崩壊生成物を用いて、$^{14}_{}{^m\text{N}}$における$ξ^-$ハイパーヌートロンの束縛エネルギーを高精度で決定すること。
• 崩壊モード解析を用いて、$ξ^-$--$^{14}_{}{^m\text{N}}$系の$1s$状態と$1p$状態を区別すること。
• $^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$ハイパーヌクレウスの核$1s$状態に対する最初の実験的証拠を提供すること。

提案手法

• J-PARC（E07）およびKEK-PS（E373）でエマルジョン検出器を用いて、静止状態での$ξ^-$捕獲実験を実施した。
• 複数の$\Lambda$-ハイパーヌクレウスおよび中性子放出を示す事象を同定するため、ハイブリッド解析手法を適用した。
• $^{5}_{\Lambda}{^m\text{He}}$ + $^{5}_{\Lambda}{^m\text{He}}$ + $^{4}_{}{^m\text{He}}$ + nの崩壊モードを特定し、$ξ^-$の束縛エネルギーを推定した。
• 娘粒子に励起状態が存在しないことを利用して、$^{14}_{}{^m\text{N}}$系における$B_{\Xi^-}$を一意に特定した。
• 2つの崩壊チャネルを評価した：$^{9}_{\Lambda}{^m\text{Be}}$ + $^{5}_{\Lambda}{^m\text{He}}$ + nを示すもので、$^{9}_{\Lambda}{^m\text{Be}}$の基底状態および励起状態に対応する2つの$B_{\Xi^-}$値が得られた。
• KISOおよびIBUKIで報告された過去の$1p$状態事象と比較することで、$1s$状態の割り当てを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ($\Xi^-$--$^{14}_{}{^m\text{N}}$)系は深く束縛された$1s$状態を形成できるか？その束縛エネルギーはいかほどか？
• RQ2 静止状態での$ξ^-$捕獲における$^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$ハイパーヌクレウスの特徴的な崩壊モードは何か？
• RQ3 $^{14}_{}{^m\text{N}}$における測定済みの$ξ^-$の束縛エネルギーは、以前に観測された$1p$状態と比べてどう異なるか？
• RQ4 娘粒子に励起状態が存在しないことを利用して、$B_{\Xi^-}$を一意に特定できるか？
• RQ5 $^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$の基底状態が$1s$状態であるという同定に支持する証拠は何か？

主な発見

• 静止状態での$ξ^-$捕獲を通じて、$^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$ハイパーヌクレウスの$1s$状態の最初の観測が達成された。
• $^{5}_{\Lambda}{^m\text{He}}$ + $^{5}_{\Lambda}{^m\text{He}}$ + $^{4}_{}{^m\text{He}}$ + nへの崩壊を示す1件の事象から、$B_{\Xi^-}$が6.27 $±$ 0.27 MeVに決定され、娘粒子に励起状態が存在しないため一意に特定された。
• $^{9}_{\Lambda}{^m\text{Be}}$ + $^{5}_{\Lambda}{^m\text{He}}$ + nへの崩壊を示すもう1件の事象から、$B_{\Xi^-}$の2つの可能な値が得られた：$^{9}_{\Lambda}{^m\text{Be}}$の基底状態に対応する8.00 $±$ 0.77 MeV、または励起状態に対応する4.96 $±$ 0.77 MeV。
• 測定された$B_{\Xi^-}$値は、以前に報告された$1p$状態事象（KISOおよびIBUKI）の値を上回っており、$1s$状態の割り当てを確認している。
• $^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$の$1s$状態は、$ξ$ハイパーヌートロン系において最初に観測された$s$状態ハイパーヌクレウスであると特定された。
• 本結果は、$ξ^-$-核力相互作用およびハイパーヌートロン-核力ポテンシャルモデルに対する重要な制約を提供している。