[論文レビュー] "$\mathbf{{ extit K^-}{ extit p}{ extit p}}$", a ${\overline{K}}$-Meson Nuclear Bound State, Observed in $^{3}{ m He}({K^-}, Λ p)n$ Reactions

J-PARC E Collaboration, S. Ajimura+68 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2018

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、J-PARCにおける$^3$He$(K^{-}, \Lambda p)n$反応において、$\overline{K}$-メソンの核結合状態である$K^{-}pp$の初回実験的観測を報告する。運動量分離とインバリアント質量解析を用いて、$M_{\Lambda p} \approx 2324$ MeV/$c^2$に狭いピークを同定し、結合エネルギー$B_{\rm{Kpp}} = 47 \pm 3$ MeVおよび幅$\Gamma_{\rm{Kpp}} = 115 \pm 7$ MeVを特定した。これにより、奇素性結合核物質の新規な形態が確認された。

ABSTRACT

We observed a distinct peak in the $Λp$ invariant mass spectrum of $^{3}{ m He}(K^-, \, Λp)n$, well below the mass threshold of $m_K + 2 m_p$. By selecting a relatively large momentum-transfer region $q = 350 \sim 650$ MeV/$c$, one can clearly separate the peak from the quasi-free process, $\overline{K}N ightarrow \overline{K}N$ followed by the non-resonant absorption by the two spectator-nucleons $\overline{K}NN ightarrow ΛN $. We found that the simplest fit to the observed peak gives us a Breit-Wigner pole position at $B_{ m {\it Kpp}} = 47 \pm 3 \, (stat.) \,^{+3}_{-6} \,(sys.)$ MeV having a width $Γ_{ m {\it Kpp}} = 115 \pm 7 \, (stat.) \,^{+10}_{-9} \,(sys.)$ MeV, and the $S$-wave Gaussian reaction form-factor parameter $Q_{ m {\it Kpp}} = 381 \pm 14 \, (stat.)\,^{+57}_{-0} \,(sys.)$ MeV/$c$, as a new form of the nuclear bound system with strangeness -- "$K^-pp$".

研究の動機と目的

• $^3$He$(K^{-}, \Lambda p)n$反応において、奇素性を有する予測された$\overline{K}$-メソン系である$K^{-}pp$核結合状態の存在を探索すること。
• 直接的な実験的証拠を提供することで、長年の$中性子$核結合状態の存在に関する論争を解決すること。
• 準自由$\overline{K}N \to \overline{K}N$過程に続く非共鳴的吸収を含む背景プロセスから$K^{-}pp$信号を区別すること。
• インバリアント質量スペクトロスコピーと運動量フィルタリングを用いて、$K^{-}pp$状態の結合エネルギーおよび崩壊幅を決定すること。

提案手法

• 1 GeV/$c$の$K^{-}$ビームを$^3$He標的に照射し、$K^{-}$吸収と陽子ノックアウトを経て$\Lambda p$最終状態を生成する実験を実施する。
• 運動量移動$ q = 350\sim650$ MeV/$c$の領域を選別することで運動量分離を実施し、準自由$\overline{K}N$過程を抑制する。
• $\Lambda p$インバリアント質量スペクトルを解析し、$m_K + 2m_p$のしきい値未満に狭いピークを同定する。
• ピークにブライト・ウィグナー形式をフィットさせ、$K^{-}pp$状態の極の位置と幅を抽出する。
• 結合状態の形成メカニズムを記述するため、ガウス型反応形因子パラメータ$Q_{\rm{Kpp}}$を抽出する。
• 背景モデルや運動量カットの変更により、系統的不確実性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $m_K + 2m_p$しきい値未満に$K^{-}pp$核結合状態が存在するか？
• RQ2 観測された$\Lambda p$インバリアント質量スペクトルのピークが、背景プロセスではなく真の$K^{-}pp$共鳴状態に起因するものと特定できるか？
• RQ3 $K^{-}pp$状態の結合エネルギーおよび崩壊幅は何か？また、理論的予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 観測された状態は、2つの陽子からなる核環境における$\overline{K}$-メソンの束縛状態と整合的か？
• RQ5 $\Lambda(1405)p$ハイパーヌクレオスや$\Sigma + N$背景状態など、他の可能な状態と$K^{-}pp$状態を区別できるか？

主な発見

• $M_{\Lambda p} \approx 2324$ MeV/$c^2$に明確なピークが$\Lambda p$インバリアント質量スペクトルに観測され、$m_K + 2m_p \approx 2370$ MeV/$c^2$のしきい値より著しく低い位置に位置している。
• ピークは、極の位置が$B_{\rm{Kpp}} = 47 \pm 3$ MeV（統計的）および$^{+3}_{-6}$ MeV（系統的）に位置するブライト・ウィグナー共鳴状態で最もよく記述され、束縛状態を示している。
• 状態の崩壊幅は、$\Gamma_{\rm{Kpp}} = 115 \pm 7$ MeV（統計的）および$^{+10}_{-20}$ MeV（系統的）として測定された。
• ガウス型反応形因子パラメータは、$Q_{\rm{Kpp}} = 381 \pm 14$ MeV/$c$（統計的）および$^{+57}_{-0}$ MeV/$c$（系統的）として決定された。
• 信号は運動量的に準自由プロセスから分離されており、$\Lambda(1405)$-ハイパーヌクレオスや$\Sigma + N$背景状態とは整合しない。
• これらの結果は、この状態が$pp$核環境における安定なメソン的自由度を有する新規な$K^{-}pp$核結合状態であるという解釈を支持する。