[論文レビュー] First Observation of Doubly Charmed Baryons

M. A. Moinester|ArXiv.org|Dec 12, 2002

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

SELEXコラボレーションは、$ olimits\Xi_{cc}^{+} \to \Lambda_c^+ K^- \pi^+$ および $ olimits\Xi_{cc}^{++} \to \Lambda_c^+ K^- \pi^+ \pi^+$ の崩壊モードを通じて、二重 charm バリオンの最初の実験的観測を報告した。それぞれの質量は 3.52 GeV/$c^2$ および 3.46 GeV/$c^2$ であり、有意水準は 7.9$ olimits\sigma$ および 5.8$ olimits\sigma$ であった。これらの状態は、基底状態の二重 charm バリオンに対する理論的予測と整合的であるが、それらの間の 60 MeV/$c^2$ の質量差は、単純なアイソスピン多重項モデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

The SELEX experiment (E781) at Fermilab has observed two statistically compelling high mass states near 3.6 GeV/c^2, decaying to Lambda_c+ K- pi+ and Lambda_c+ K- pi+ pi+. These final states are Cabibbo-allowed decay modes of doubly charmed baryons $Ξ_{cc}^+$ and $Ξ_{cc}^{++}$, respectively. The masses are in the range expected from theoretical considerations, but the spectroscopy is surprising. SELEX also has weaker preliminary evidence for a state near 3.8 GeV/$ m{c}^2$, a high mass state decaying to Lambda_c+ K- pi+ pi+, possibly an excited $Ξ_{cc}^{++}$ (ccu*). Data are presented and discussed.

研究の動機と目的

• 高エネルギー最終状態に含まれる $\Lambda_c^+$、$K^-$、$\pi^+$ メソンを含む、二重charmバリオン（$\Xi_{cc}^{+}$、$\Xi_{cc}^{++}$）の探索。
• フェルミラブのE781（SELEX）実験からのデータを用いて、二重charmバリオンの質量および崩壊性質に関する理論的予測の検証。
• 特に、$Q=1$ および $Q=2$ 状態間の質量差が示す励起状態または非最小アイソスピン分割の可能性を含め、二重charmバリオンのスピン固有構造の解明。
• とりわけCERN COMPASS実験における、二重および三重charmバリオンの高精度測定のための実験的インプットを提供すること。

提案手法

• フェルミラブのSELEXスペクトロメータを用いて、$\sqrt{s} = 1.8$ TeV での陽子-反陽子衝突を分析する。
• $\Lambda_c^+$ バリオンを $pK^-$ への崩壊を通じて再構成し、飛行時間および dE/dx 測定を用いて $K^-$ および $\pi^+$ メソンを同定する。
• 運動量的制約および頂点再構成を適用し、二重charmバリオンからの二次崩壊頂点を同定する。
• $\Lambda_c^+ K^- \pi^+$ の静止系における $K^-$ の角度に制限を課すこと（$\cos\theta_K^* > -0.6$）により、逆方向トラックに起因するバックグラウンドを抑制する。
• $\Lambda_c^+ K^- \pi^+$ および $\Lambda_c^+ K^- \pi^+ \pi^+$ システムの不変質量再構成を実施し、共鳴状態を同定する。
• バックグラウンド推定には位相空間シミュレーションおよび制御領域を用い、観測されたピークの有意水準をポアソン統計を用いて評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重charmバリオンの崩壊と整合的な、$\Lambda_c^+ K^- \pi^+$ および $\Lambda_c^+ K^- \pi^+ \pi^+$ 最終状態における実験的に観測可能な共鳴状態は存在するか？
• RQ2 3.46 GeV/$c^2$ および 3.52 GeV/$c^2$ に観測された状態の質量および幅は、$\Xi_{cc}^{++}$ および $\Xi_{cc}^{+}$ の基底状態に対する理論的予測と一致するか？
• RQ3 $Q=1$ および $Q=2$ 状態間の 60 MeV/$c^2$ の質量差の有意性は何か？ これは励起状態の存在や非最小アイソスピン分割を示唆するのか？
• RQ4 $\Lambda_c^+ K^- \pi^+$ システムにおける $K^-$ の角度分布は、信号とバックグラウンドを区別でき、位相空間仮定を検証できるか？
• RQ5 これらの観測結果は、二重および三重charmバリオン分光学のための将来の実験（例：CERN COMPASS）の設計および感度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• $\Lambda_c^+ K^- \pi^+ \pi^+$ 最終状態における 3.46 GeV/$c^2$ の共鳴状態が 7.9$\sigma$ の有意水準で観測され、$\Xi_{cc}^{++}$ バリオンと整合的である。
• $\Lambda_c^+ K^- \pi^+$ 最終状態における 3.52 GeV/$c^2$ の第二の共鳴状態が 5.8$\sigma$ の有意水準で観測され、$\Xi_{cc}^{+}$ バリオンと整合的である。
• 3.46 GeV/$c^2$ 状態の寿命は 90%信頼水準で 30 fs 未満であり、二重charmバリオンが予想される短い寿命と整合的である。
• $Q=1$ および $Q=2$ 状態間の 60 MeV/$c^2$ の質量差は、単純な基底状態アイソダブルレットモデルとは整合せず、励起状態の寄与または非最小アイソスピン分割の可能性を示唆している。
• $\Lambda_c^+ K^- \pi^+ \pi^+$ 最終状態における 3.78 GeV/$c^2$ 付近に、励起状態 $\Xi_{cc}^{++*}$ の可能性がある初期的証拠が得られた。
• SELEXの結果は、すでにCERN COMPASS実験の計画に影響を与え、100日間の実験で最大10,000個の二重charmバリオンの再構成が期待されている。