[論文レビュー] Production of $η$ and $η'$ Mesons on Nucleons and Nuclei

B. Krusche, C. Wilkin|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2014

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 284被引用数 32

ひとこと要約

本レビューは、核および核子上の光生成およびハドロン生成によるηおよびη′メソンの生成に関する実験的・理論的進展を統合する。η生成におけるS₁₁(1535)共鳴状態の支配的役割、η′生成における弱い近閾値行動、および軽い系におけるηメソン結合核の可能性の証拠を強調しつつ、η′結合状態の検出における課題と、低質量メソン結合核を調べるためのηπ対生成の可能性を示す。

ABSTRACT

The production of $η$ and $η^{\prime}$ mesons in photon- and hadron-induced reactions on free and quasi-free nucleons and on nuclei is reviewed. The extensive database on $γN o ηN$, for both proton and neutron targets, is described in detail and its implications for the search for $N^{\star}$ resonances much heavier than the dominant $S_{11}(1535)$ discussed. Though less is currently known about the production of the $η^{\prime}$ or of $ηπ$ pairs, these also offer tantalizing prospects in the search for the missing isobars. The more limited data available on pion-induced production are still necessary ingredients in the partial wave analysis discussed. The production of the $η$-meson in $pp$ and $pn$ collisions shows once again the strong influence of the $S_{11}(1535)$ isobar, which is in contrast to the relatively weak behaviour seen near threshold for $η^{\prime}$ production. This difference is reflected in the important final state interaction effects of the $η$ in nuclei that may even lead to this meson being "bound" in some systems. The evidence for this is reviewed for both $γA$ and $p A$ collisions. The inclusive photoproduction of $η$, $η^{\prime}$, and $ηπ$ pairs from nuclei provides further information regarding the production mechanism and the interaction of the $η$ and $η^{\prime}$ with nuclei and the $ηπ$ pairs may even allow access to low mass $ηA$ systems that are forbidden in direct single-meson photoproduction.

研究の動機と目的

• 自由および準自由核子上のγN反応およびハドロン誘発反応におけるηおよびη′メソン生成の現在の実験的・理論的理解をレビューすること。
• S₁₁(1535)共鳴状態がη生成に果たす役割を評価し、より重いN*共鳴状態の探索に与える影響を検討すること。
• 特に最終状態相互作用および包含反応を通じて、準束縛状態であるηおよびη′核子状態の形成可能性を評価すること。
• ηπ対生成に関する限られたが増加傾向にあるデータを検討し、それらがメソン結合核探索にどのように関連するかを検討すること。
• η′核子結合状態を検出する際の課題に言及する。特に、生成断面積が小さく、核子との相互作用が弱いために困難である。

提案手法

• 偏光光子および核子を用いた電子加速器からの広範な光生成データの分析により、部分波振幅を抽出すること。
• ヘリウム3およびデュテロンのような軽い核において、陽子と中性子の寄与を分離するために運動量再構成技術を用いること。
• Fermi-平均化と運動量再構成断面積の整合性を検証するための関係式 ∫σ(Eγ)dEγ ≈ (1/mN)∫σ(W)W dW を適用すること。
• ELSAおよびMAMI施設の実験結果を比較し、γn→nη断面積の絶対正規化における不一致を解消すること。
• 核からの包含的光生成反応（η、η′、ηπ対）を用いて、メソン-核子相互作用を調べること。
• ダリーツ図、角度分布、運動エネルギー分布を用いて、ηπ生成におけるD₃₃(1700)共鳴状態の寄与を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 S₁₁(1535)共鳴状態は、核子上でのη光生成においてどの程度支配的であり、より重いN*共鳴状態の探索にどのような影響を及えるか？
• RQ2 η′生成は閾値付近で顕著に弱く、η生成よりも顕著に弱いが、これはη′Nに崩壊するN*共鳴状態の存在にどのような示唆をもたらすか？
• RQ3 ³Heのような軽い系において、準束縛状態のηメソン結合核の証拠はあるか？包含的および排他的反応から何が明らかになるか？
• RQ4 ηメソンと核子との最終状態相互作用は、核における光生成断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ5 γ, ηπ)反応におけるηπ対生成は、低質量ηA系への明確なアクセスを可能にするか？D₃₃(1700)共鳴状態は果たす役割は何か？

主な発見

• S₁₁(1535)共鳴状態は、核子上でのη光生成を支配しており、強いs波ηN相互作用が顕著な最終状態効果を引き起こし、ηメソン結合核形成の可能性を示唆する。
• ELSAおよびMAMIから得られたγn→nηデータの運動量再構成において、絶対正規化が一貫しないことが判明。ELSAのデータは、期待されるW統合断面積関係から外れている。
• 包含的γAおよびpA反応において、特に³Heでηメソン結合核の証拠が観測されたが、崩壊チャネルでは明確な結合状態シグナルは得られなかった。
• η′生成は弱い近閾値行動を示し、明確な共鳴状態の支配的寄与は認められず、pp→ppη′データにおいて顕著なη′p相互作用も観測されなかった。
• ηπ最終状態はD₃₃(1700)共鳴状態によってよく記述されており、ダリーツ図および角度分布に明確なパターンが見られ、主に単一共鳴状態機構が支配的であると示唆される。
• ⁴Heなどの核における包含的(γ, ηπ)反応は、低質量η⁴He系へのアクセスを可能にし、実際のηメソンが存在するにもかかわらず、ηメソン結合核の研究への道筋を提供する。