[論文レビュー] Investigation of light scalar resonances at COSY

M. Buescher, F. P. Sassen+2 more|ArXiv.org|Jan 17, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、理論的モデルを通じて光スカラーメソン $a_0(980)$ と $f_0(980)$ の性質を調査し、COSYにおける等スピン破れ反応 $dd \to {}^4\text{He} \pi^0 \eta$ の測定を提案する。この反応は $a_0^0$--$f_0$ 混成を調べる。$a_0^0$ の断面積は 0.05–0.2 nb、$f_0$ の断面積は 1–4 nb と推定され、ANKE分光計は数週間のビーム時間で数100件のイベントを検出可能であり、四クォーク、分子状態、グルーオール解釈を区別するための重要なテストを提供する。

ABSTRACT

The $a_0$(980) and $f_0$(980) resonances are two well established states in the excited meson spectrum. We review the most prominent theoretical models which try to explain the structure of these states. It is discussed whether data from COSY on $a_0$ and $f_0$ production in $pp$, $pn$, $pd$ and $dd$ collisions allow to distinguish between the different approaches. Very promising in this respect seems to be the measurement of the reaction $dd o (\mathrm{^4He} a_0^0 o) \mathrm{^4He} π^0η$ which violates isospin conservation and can be related to $a_0$-$f_0$ mixing.

研究の動機と目的

• 現在のクォークモデルでは説明できない、軽いスカラー励起状態 $a_0(980)$ と $f_0(980)$ の本質的構造を特定すること。
• COSYにおける $pp$、$pn$、$pd$、$dd$ 衝突のデータが、$q\bar{q}$、四クォーク、メソン分子、グルーオール混成の各理論的モデルを区別できるかどうかを評価すること。
• 等スピン破れ反応 $dd \to {}^4\text{He} \pi^0 \eta$ を、$a_0^0$--$f_0$ 混成を調べる重要な観測量として提案すること。この反応はスカラー状態の混成ダイナミクスに敏感である。
• 現実的な断面積と照射率を用いて、ANKE分光計でのこの反応の検出可能性を推定すること。

提案手法

• $a_0$ および $f_0$ の競合する理論モデル（$q\bar{q}$ 状態、$(qq)(\bar{q}\bar{q})$ 四クォーク、メソン分子、チャーミカルユニタリアプローチ、グルーオール混成）の理論的分析。
• $dd \to {}^4\text{He} \eta$ および $pd \to {}^3\text{He} \eta$ の断面積比の推定値を用い、$dd \to {}^4\text{He} K^+K^-$ への外挿を、同様の位相空間行動を仮定して行う。
• MOMO実験の $pd \to {}^3\text{He} K^+K^-$ データを用いて、$\sigma(dd \to {}^4\text{He} K^+K^-) \approx 0.4~\text{nb}$ を $Q=40$ MeV で推定。
• $f_0$ の生成が閾値近くの $K^+K^-$ および $\pi^+\pi^-$ 終状態で支配的であると仮定し、$\Gamma_{f_0 \to K\bar{K}} \approx (0.1\text{--}0.4) \Gamma_{f_0 \to \pi\pi}$ とすることで、$\sigma(dd \to {}^4\text{He} f_0) \approx 1\text{--}4~\text{nb}$ を推定。
• $a_0^0$--$f_0$ 混成振幅関係 $\sigma(dd \to {}^4\text{He} a_0^0) = |\xi|^2 \cdot \sigma(dd \to {}^4\text{He} f_0)$ と $|\xi|^2 \approx 0.05$ を用い、$\sigma \approx 0.05\text{--}0.2~\text{nb}$ を推定。
• ANKE分光計の照射率（$\sim 2.7 \times 10^{31}~\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$）および凍結ペレット標的に基づく将来の改良を用いた検出可能性の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 等スピン破れ性ゆえに、反応 $dd \to {}^4\text{He} \pi^0 \eta$ は $a_0^0$--$f_0$ 混成をクリアに調べられるプローブとして機能するか？
• RQ2 $dd \to {}^4\text{He} a_0^0$ および $dd \to {}^4\text{He} f_0$ の断面積はCOSYでどの程度推定され、現在または近い将来のANKE能力で測定可能か？
• RQ3 $q\bar{q}$、四クォーク、メソン分子、グルーオール混成といった異なる理論的モデルは、$a_0^0$--$f_0$ 混成強度についてどのように異なる予測を下すか？
• RQ4 $dd \to {}^4\text{He} K^+K^-$ データにおける不変質量分布が位相空間に従うとしても、幅広い幅と低エネルギー $Q$ 値のため、$f_0$ 共鳴生成を反映している可能性はあり得るか？
• RQ5 等スピン破れ反応 $dd \to {}^4\text{He} \pi^0 \eta$ で統計的に有意な信号を得るためには、どの程度の照射率とビーム時間が必要か？

主な発見

• $pd \to {}^3\text{He} K^+K^-$ データと共鳴状態支配の仮定に基づき、$Q=40$ MeV における $dd \to {}^4\text{He} f_0$ 生成断面積は 1–4 nb と推定された。
• $a_0^0$--$f_0$ 混成振幅の $|\xi|^2 \approx 0.05$ を仮定すると、$dd \to {}^4\text{He} a_0^0$ 生成断面積は 0.05–0.2 nb と推定された。
• 等スピン破れ反応 $dd \to {}^4\text{He} \pi^0 \eta$ はANKEで実現可能であり、予想される照射率と検出器改良を用いれば、数週間のビーム時間で数100件のイベントが得られる見込みである。
• ANKE分光計は、高透過率のガンマ線検出器と凍結ペレット標的を備えており、$^4\text{He}$ 動量再構成と併せて $\pi^0 \to 2\gamma$ および $\eta \to 2\gamma$ の崩壊生成物を同時に検出可能である。
• MOMOデータにおける $K^+K^-$ 不変質量分布が位相空間に従うとしても、広い幅と低 $Q$ 値のため、共鳴状態の生成を反映している可能性があり、共鳴解釈を支持する。
• $dd \to {}^4\text{He} \pi^0 \eta$ の測定は、$a_0^0$--$f_0$ 混成をモデルに依存して調べる唯一無二のプローブを提供し、軽いスカラーメソンの本質を解明する可能性を秘めている。