[論文レビュー] Search for Hidden-Charm Pentaquark with CLAS12

V. Kubarovsky, M.B. Voloshin|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ジェファーソンラボのCLAS12検出器で $\.gamma p \to P_c \to J/\psi p$ 反応における光生成反応を通じて、隠れ charm ペンタクォーク $P_c(4380)$ と $P_c(4450)$ の探索を提案している。ベクトル支配とブライト＝ウィグナー共鳴状態モデルを用い、$Br(P_c \to J/\psi p)$ が 1–10% である場合、数十ナノバーンの断面積を推定し、1日あたり24–1100イベントの検出が可能になると想定している。これにより、それらの共鳴状態の性質が確認され、運動論的特異性の説明が排除される。

ABSTRACT

LHCb recently announced the discovery of two exotic structures in the $J/ψ+ p$ decay channel, which have been referred to as charmonium-pentaquark states. Resolving between the models and clarifying the nature of the discovered hidden-charm pentaquark peaks, and possibly searching for similar peaks with other quantum numbers, requires further experimental studies. The states were observed in the decay mode $J/ψ+p$. Thus, it is natural to expect that these pentaquarks can be produced in the photoproduction process $γ+p o P_c o J/ψ+p$ where these states will appear as s-channel resonances at photon energy around 10 GeV. The energy and luminosity of the CLAS12 photon beam permit the detailed studies of the production and decay properties of the pentaquark resonances. By this reason the pentaquark search at Jefferson Laboratory looks extremely attractive.

研究の動機と目的

• CLAS12 における $\gamma p \to P_c \to J/\psi p$ 反応を用いた、隠れ charm ペンタクォーク $P_c(4380)$ および $P_c(4450)$ の検出可能性の検討。
• 現実的な CLAS12 の全有効断面積および検出器透過率の条件下で、光生成断面積および検出可能なイベント数の推定。
• $baryo$-charmonium、分子状態、または $\chi_{c1}p$ 組み合わせ状態といった、理論的構造モデルの違いを、$J/\psi p\pi$ や $J/\psi p\pi\pi$ の崩壊モードを観測することで区別すること。
• \Lambda_b^0 \to K^- P_c^+ 衰変における観測された $P_c$ ピークが真の共鳴状態であるか、運動論的特異性の誤解であるかを、$\gamma p$ 散乱で観測することで検証すること。

提案手法

• ベクトル支配を仮定し、$\gamma \to J/\psi$ 結合を用いて、ブライト＝ウィグナー共鳴状態式による光生成断面積のモデル化。$\sigma \propto Br^2(P_c \to J/\psi p)$ と仮定。
• 中心系モーメンタム $k \approx 2.1$ GeV を計算し、$E_\gamma \sim 10$ GeV のとき CLAS12 の光子全有効断面積 $dL_\gamma/dW = 10^{30}$ 事象/cm²/MeV/s を使用。
• 全イベント数の推定に $N(P_c) = \int \sigma(W) \frac{dL_\gamma}{dW} \epsilon \, dW \cdot Br(J/\psi \to e^+e^-)$ を用い、$\epsilon = 0.1$ および $Br(J/\psi \to e^+e^-) = 6\%$ を仮定。
• $Br(P_c \to J/\psi p) = 1\%$ を基準として、$P_c(4380)$ および $P_c(4450)$ の部分波配置（下限および上限）における断面積を評価。
• $J/\psi p\pi$ や $J/\psi p\pi\pi$ の崩壊モードへの感受性を評価し、$baryo$-charmonium と分子状態のペンタクォークモデルを区別する。
• $\gamma p$ 断面積を用いて、$\Lambda_b^0$ 衰変における $P_c$ ピークが偶然の特異性である可能性を排除する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CLAS12 における $\gamma p \to P_c \to J/\psi p$ 光生成反応で、$P_c(4380)$ および $P_c(4450)$ ペンタクォークが観測可能か。
• RQ2 CLAS12 の全有効断面積および検出器透過率の下で、これらのペンタクォークの期待されるイベント数は何か。
• RQ3 $J/\psi p\pi$ や $J/\psi p\pi\pi$ への崩壊パターンが、$baryo$-charmonium か分子状態のペンタクォーク構造を支持するか。
• RQ4 光生成データにより、$P_c$ 状態の共鳴状態の性質が確認され、運動論的特異性の説明が排除できるか。
• RQ5 高い統計的有意性でこれらの状態を検出するために必要な断面積は何か。また、CLAS12 で達成可能か。

主な発見

• Br(P_c \to J/\psi p) \sim 1\text{--}10\% の場合、$\gamma p \to P_c \to J/\psi p$ のピーク光生成断面積は数十ナノバーンに達すると推定され、CLAS12 での検出が現実可能である。
• Br(P_c \to J/\psi p) = 1\% の場合、CLAS12 は $P_c(4380)$ に対して1日あたり24～750イベント、$P_c(4450)$ に対して1日あたり35～1100イベントを検出すると予想される。
• 背景寄与があっても推定イベント数は安定しており、$J/\psi$ の弾性的光生成断面積がたった 0.1 nb であるため、$P_c$ シグナルは明確に区別可能である。
• $\gamma p$ 散乱における $P_c$ ピークの観測は、それらの共鳴状態の性質を確認し、$\Lambda_b^0$ 衰変における運動論的特異性の説明を排除する。
• $P_c$ 状態が $baryo$-charmonium である場合、$J/\psi p\pi$ や $J/\psi p\pi\pi$ の崩壊モードが顕著に現れることが予想され、分子状態や $\chi_{c1}p$ 組み合わせ状態モデルを不適切にする。
• 部分波解析から導かれた理論的断面積の上限は、軌道波に依存して顕著に変化し、上限ではより高いイベント数が得られる。