[論文レビュー] Observation of a $J/ψΛ$ resonance consistent with a strange pentaquark candidate in $B^- o J/ψΛ\bar{p}$ decays

LHCb collaboration|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2022

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、B⁻ → J/ψΛp崩壊から、スピン量子数 J = 1/2 および負のパリティを有する奇妙なペンタクォーク候補と整合する狭い共鳴状態の観測を報告している。√s = 7, 8, 13 TeVにおけるpp衝突データ9 fb⁻¹を用いて、LHCb共同研究グループは共鳴状態の質量を4338.2 ± 0.7 ± 0.4 MeV、幅を7.0 ± 1.2 ± 1.3 MeVとして測定し、奇抜なcharmクォークを含むペンタクォークの存在を強く支持する証拠を提供した。

ABSTRACT

An amplitude analysis of $B^- o J/ψΛ\bar{p}$ decays is performed using about 4400 signal candidates selected on a data sample of $pp$ collisions recorded at center-of-mass energies of 7, 8 and 13 TeV with the LHCb detector, corresponding to an integrated luminosity of 9 fb$^{-1}$. A narrow resonance in the $J/ψΛ$ system, consistent with a pentaquark candidate with strangeness, is observed with high significance. The mass and the width of this new state are measured to be $4338.2\pm 0.7\pm 0.4$MeV and ${7.0\pm1.2\pm1.3}$MeV, where the first uncertainty is statistical and the second systematic. The spin is determined to be $1/2$ and negative parity is preferred. Due to the small $Q$-value of the reaction, the most precise single measurement of the $B^-$ mass to date, $5279.44\pm0.05\pm0.07$MeV, is obtained.

研究の動機と目的

• B⁻ → J/ψΛp崩壊のJ/ψΛ最終状態において、とりわけ奇妙を有するペンタクォークを含む、異常なハドロン状態の探索を目的とする。
• 異なるバリオン-メソン閾値にアクセス可能な崩壊モードを通じて、奇妙を有する隠れcharmペンタクォークの存在を調査することを目的とする。
• 閾値付近の狭い共鳴構造を特定するために、崩壊振幅の高精度な振幅解析を実施することを目的とする。
• 高分解能のJ/ψΛ系を用いてB⁻質量の測定を高精度で改善することを目的とする。

提案手法

• √s = 7, 8, 13 TeVにおけるpp衝突から得られた4,400個の信号候補を用いて、統合した光度が9 fb⁻¹に相当する振幅解析を実施した。
• J/ψはその二重ミュオン崩壊を介して再構築され、Λは「ロング」および「ダウンストリーム」の2つのカテゴリに分類され、分解能の向上を図った。
• 運動量フィットにより、J/ψおよびΛの質量が既知の値に固定され、質量分解能が向上し、バックグラウンドが低減された。
• シミュレートされたイベントは、pTおよびトラック多重度の分布に一致するように再重み付けされ、粒子識別変数はD*⁺ → D⁰π⁺およびΛc⁺ → pK⁻π⁺崩壊を用いてキャリブレーションされた。
• 崩壊振幅を記述するため、共鳴項および非共鳴項を含む完全な振幅モデルが使用された。
• 系統的不確実性は、コントロールモードおよび専用のキャリブレーションサンプルを用いて評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 J/ψΛのインヴァリアント質量スペクトルに、奇妙なペンタクォーク状態と整合する狭い共鳴状態が現れるか？
• RQ2 観測された共鳴状態の量子数（スピンおよびパリティ）は何か？
• RQ3 観測された状態は、分子的またはコンパクトなペンタクォーク状態と整合するか？
• RQ4 この崩壊モードを用いて、B⁻質量をより高い精度で測定できるか？
• RQ5 崩壊の相空間およびQ値が、狭い共鳴状態への感度にどのように影響するか？

主な発見

• J/ψΛ系において、質量4338.2 ± 0.7 ± 0.4 MeV、幅7.0 ± 1.2 ± 1.3 MeVの狭い共鳴状態が観測された。
• この共鳴状態は、スピン1/2および負のパリティを有するペンタクォーク状態と整合し、高い統計的有意性を示した。
• B⁻質量は、5279.44 ± 0.05 ± 0.07 MeVという、前例のない高い精度で測定された。
• この共鳴状態は、Ξb⁻ → J/ψΛK⁻崩壊で観測されたPΛψs(4459)⁰状態とは明確に異なり、別の状態であることが示された。
• 小さなQ値（約128 MeV）のおかげで、優れた質量分解能が得られ、閾値付近の狭い状態の検出が可能になった。
• 相空間を超える共鳴構造の存在が確認され、異常なハドロン状態の存在を支持する証拠となった。