[論文レビュー] Measurement of the Energy-Dependent Electromagnetic Form Factors of a Charmed Baryon

BESIII Collaboration, F. De Mori+621 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、4.6119〜4.9509 GeVの中心系エネルギーにおける $e^+e^-$ 衝突を用いて、charmバリオン $\Lambda_c^+$ のエネルギー依存性を持つ電磁フォーム因子の最初の高精度測定が行われた。大規模なデータサンプルにおける $\Lambda_c^+ \to pK^- lessalign*} 4.6119 から 4.9509 GeV の中心系エネルギーにおける $e^+e^-$ 衝突を用いた、$\Lambda_c^+$ のエネルギー依存性電磁フォーム因子の最初の高精度測定。$Y(4630)$ の増幅なしに $|G_E/G_M|$ に高周波数の振動が観測された。

ABSTRACT

We study the process $e^{+}e^{-} oΛ_{c}^{+}\barΛ_c^{-}$ at twelve center-of-mass energies from $4.6119$ to $4.9509~\mathrm{GeV}$ using data samples collected by the BESIII detector at the BEPCII collider. The Born cross sections and effective form factors ($|G_{\mathrm{eff}}|$) are determined with unprecedented precision after combining the single and double-tag methods based on the decay process $Λ_{c}^{+} o pK^{-}π^{+}$. Flat cross sections around $4.63~\mathrm{GeV}$ are obtained and no indication of the resonant structure $Y(4630)$, as reported by Belle, is found. In addition, no oscillatory behavior is discerned in the $|G_{\mathrm{eff}}|$ energy-dependence of $Λ_{c}^{+}$, in contrast to what is seen for the proton and neutron cases. Analyzing the cross section together with the polar-angle distribution of the $Λ_{c}^{+}$ baryon at each energy point, the moduli of electric and magnetic form factors ($|G_{E}|$ and $|G_{M}|$) are extracted and separated. For the first time, the energy-dependence of the form factor ratio $|G_{E}/G_{M}|$ is observed, which can be well described by an oscillatory function.

研究の動機と目的

• charmバリオン $\Lambda_c^+$ のエネルギー依存性電磁フォーム因子を高精度で測定すること。
• $e^+e^- \to \Lambda_c^+\bar{\Lambda}_c^-$ の断面積において、$Y(4630)$ の近傍に共鳴的増幅が存在するか否かを調査すること。
• $\Lambda_c^+$ の有効フォーム因子スペクトルが、陽子や中性子で観測されたのと同様の振動的挙動を示すか否かを特定すること。
• 電磁遷移フォーム因子を通じて、$\Lambda_c^+$ バリオンの内部構造を調べること。

提案手法

• 4.6119 から 4.9509 GeV の $e^+e^-$ 中心系エネルギーで取得された BESIII ディテクタのデータを用い、$e^+e^- \to \Lambda_c^+\bar{\Lambda}_c^-$ の反応を研究した。
• $\Lambda_c^+$ バリオンは、$\Lambda_c^+ \to pK^-\pi^+$ の崩壊を介して再構築され、効率的なイベント選別とバックグラウンド抑制が可能となった。
• 系統的不確かさを低減するために、単一トラック（ST）および二重トラック（DT）の2つの独立した再構築手法が用いられた。
• 12のエネルギー点でボーン断面積および極角分布が測定され、統計的および系統的不確かさはデータ駆動型手法で評価された。
• $\Lambda_c^+$ 崩壊生成物の角度分布から、有効電磁フォーム因子 $G_E$ および $G_M$ が抽出された。
• エネルギー依存性の $|G_E/G_M|$ の比を分析し、内部ダイナミクスを示す特徴的な振動の有無を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\Lambda_c^+$ の電磁フォーム因子スペクトルは、陽子や中性子と同様に振動的挙動を示すか？
• RQ2 $e^+e^- \to \Lambda_c^+\bar{\Lambda}_c^-$ の断面積において、$Y(4630)$ の近傍に共鳴的増幅が観測されるか？
• RQ3 $\Lambda_c^+$ バリオンの $|G_E/G_M|$ の比のエネルギー依存性は何か？ そして、非自明な内部構造を示唆するか？
• RQ4 $e^+e^-$ 消滅データを用いて、$\Lambda_c^+$ の電磁フォーム因子をどの程度の精度で測定できるか？

主な発見

• 閾値から 4.66 GeV までの範囲で、$Y(4630)$ 共鳴の近傍に断面積の増幅は観測されなかった。
• $\Lambda_c^+$ の有効フォーム因子スペクトルには、陽子や中性子で観測されたのと同様の振動的挙動は示されなかった。
• $|G_E/G_M|$ の比は、陽子のそれよりも顕著に高い周波数の振動を示した。
• 4.6819 GeV では断面積が $188.1 \pm 1.6 \pm 6.3$ pb に測定され、$|G_E/G_M| = 0.88 \pm 0.03 \pm 0.01$ であった。
• 4.9509 GeV では断面積が $89.6 \pm 3.6 \pm 3.1$ pb に測定され、$|G_E/G_M| = 0.52 \pm 0.18 \pm 0.01$ であり、強いエネルギー依存性が示された。
• 測定された $|G_E/G_M|$ の比はエネルギーに応じて明確な振動的傾向を示しており、$\Lambda_c^+$ バリオンに複雑な内部ダイナミクスが存在することを示唆している。