[論文レビュー] Pion Polarizabilities and Hybrid Meson Structure at CERN COMPASS

M. A. Moinester|ArXiv.org|Dec 24, 2000

Superconducting Materials and Applications参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、CERNのCOMPASS実験を用いて、高統計・高精度のデータを用いて、仮想光子を介したPrimakoff反応によりπ中間子の極化率を測定し、ハイブリッドメソン構造を研究することを提案している。高エネルギーπ中間子ビームが原子核と散乱することで発生する仮想光子を活用し、COMPASSは過去の実験と比較して1000倍の統計的精度を達成する予定であり、これが、ちくちく摂動理論の明確な検証と、Exotic q\bar{q}gハイブリッドメソンの体系的探索を可能にする。

ABSTRACT

CERN COMPASS can investigate pion-photon interactions, to achieve a unique Primakoff Coulomb physics program, centered on pion polarizability and hybrid meson structure studies. COMPASS uses 100-280 GeV beams (muon, pion) and a virtual photon target, and magnetic spectrometers and calorimeters to measure the complete kinematics of pion-photon reactions. The COMPASS experiment is scheduled to begin data runs in 2001. Pion polarizabilities and hybrid mesons can be studied via the Primakoff reactions pion + gamma ---> pion + gamma and pion + gamma ---> Hybrid. The electric (alpha) and magnetic (beta) pion and Kaon polarizabilities characterize their deformation in an electromagnetic field, as occurs during gamma-pion Compton scattering. They depend on the rigidity of their internal structures as composite particles, and are therefore important quantities to test the validity of theoretical models. The polarizability measurement will provide an important new test of QCD chiral dynamics. The studies of quark-antiquark-gluon hybrid mesons would improve our understanding of these exotic mesons. COMPASS may improve previous Primakoff polarizability and Hybrid studies by two to three orders of magnitude. Appendixes A (Pion and Kaon Polarizabilities at COMPASS) and B (Hybrid Meson Structure at COMPASS) of this contribution include evaluations submitted to the APS DNP Town Meeting White Paper Committee. These summarize (1) the fundamental scientific issues addressed, (2) major achievements since the last DNP long range plan, (3) the short and long term U.S. outlook, (4) comparison of U.S. and global effort, (5) other issues.

研究の動機と目的

• π中間子の電気的および磁気的極化率を、π中間子-核子散乱におけるPrimakoff効果を用いて、未曾有の精度で測定すること。
• ゲージ理論の非アーベル的性質を理解する上で鍵となる、Exotic クォーク-反クォーク-グルーオンハイブリッドメソンの探索および構造の解明に寄与すること。
• 過去の低統計測定結果と、ちくちく摂動理論（χPT）の予測との間に存在する乖離を解消すること。
• 理論的モデルによるπ中間子構造およびハイブリッドメソン崩壊の検証に、系統的誤差のない高統計データを提供すること。
• MAMI-B や将来のJLab 12 GeVアップグレード実験と一致するハイブリッドメソン探索結果を得るための補完的・相乗的検証を実施すること。

提案手法

• Pb標的に入射する100–280 GeVのπ中間子およびミューオンビームを用い、クーロン場から仮想光子を生成する。
• π⁻γ → π⁻γ（極化率測定用）およびπ⁻γ → ハイブリッド（ハイブリッドメソン構造調査用）の完全な運動量の測定を実施する。
• 再結合核の小さな横運動量移動（pt）を用いてPrimakoffイベントを同定し、ビームおよびバーテックス検出器で測定する。
• 仮想光子交換と実光子生成との関係を記述するPrimakoff形式を適用し、π中間子の極化率を抽出する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、1.5 GeVの質量と125–1250 μbの断面積を仮定した場合のハイブリッドメソン生成率と検出効率を推定する。
• トラッキング、γ線検出、トリガー、幾何的受容率を考慮した全体の検出効率を5–11%として推定し、利用可能なイベントサンプルを得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 π中間子の電気的および磁気的極化率は何か？ また、ちくちく摂動理論の予測と比較するとどうなるか？
• RQ2 COMPASS実験は、過去の低統計測定（ᾱπ ≈ 6.8×10⁻⁴³ cm³）とχPT予測（ᾱπ ≈ 2.7×10⁻⁴³ cm³）との乖離を解消できるか？
• RQ3 ハイブリッドメソン（q\bar{q}g）の生成率と崩壊パターンは何か？ また、高い有意水準で観測可能か？
• RQ4 観測されたハイブリッドメソン崩壊モード（例：πf₁、b₁π、πρ）は、クローズとペイジの理論予測と一致するか？
• RQ5 COMPASS実験は、系統的誤差のない高統計データを提供し、Exoticハイブリッド状態の存在を確認または否定できるか？

主な発見

• 4か月間の実験で、COMPASSは約9.6×10⁶件の有用なPrimakoff極化率イベントを収集できると予想され、これは過去の実験と比較して約1000倍の統計的精度に相当する。
• ハイブリッドメソンに関しては、断面積の仮定に応じて、合計で1.1–11×10⁶件のイベントが検出可能であり、100%の効率を仮定すると2.2–22×10⁷件に達する。
• 1.5 GeVのハイブリッドメソンを仮定した場合、生成レートは断面積125–1250 μbに基づき、R = 1.6–16×10⁻⁴イベント/相互作用と推定される。
• 2–3 GeVのハイブリッドメソンでは、5%の全体検出効率を考慮しても、検出可能なイベント数はそれぞれ1.8–18×10⁵、4.4–44×10⁴、1.1–11×10⁴と予想される。
• 1.4、1.6、1.9 GeV付近のハイブリッド候補に感度を示し、2–3 GeV領域についても顕著な統計的パワーで探査可能である。
• 高いビーム強度、高速データ取得、優れた検出器エネルギー分解能のおかげで、π中間子の極化率およびハイブリッドメソンの性質について、系統的誤差のない高精度測定が可能となる。