[論文レビュー] Search for the He-η bound states with the WASA-at-COSY facility

M. Skurzok, W. Krzemień+1 more|Aug 29, 2012

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 17被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、ユリッヒ研究センターのWASA-at-COSY検出器を用いて、未知のヘリウム-ニュートロン結合状態（ηメソンと⁴He核の強い相互作用による束縛状態）であるηメシックヘリウムの探索を実施している。2008年のデータでは、ηメソン生成閾値付近でのdd → ³He p π⁻およびdd → ³He n π⁰反応の励起関数を高統計的ビームランピングで測定し、束縛状態を示す共鳴的構造の有無を検出することを目的としているが、そのような構造は観測されなかった。2010年のデータは統計的精度が6倍に向上しており、現在分析中であり、交差断面積の上限をより厳密に制約するか、発見に至る可能性がある。

ABSTRACT

The eta-mesic nuclei in which the η meson is bound with nucleus via strong interaction was postulated already in 1986, however till now no experiment confirmed empirically its existence. The discovery of this new kind of an exotic nuclear matter would be very important for better understanding of the η meson structure and its interaction with nucleons. The search for η-mesic helium is carried out with high statistic and high acceptance with the WASA-at-COSY detection setup in the Research Center Juelich. The search is conducted via the measurement of the excitation function for the chosen decay channels of the 4He-η system. Till now two reactions dd --> (4He-η)_bs --> 3Hepπ- and dd --> (4He-η)_bs --> 3 Henπ0 were measured with the beam momentum ramped around the eta production threshold. This report includes the description of experimental method and status of the analysis.

研究の動機と目的

• ηメソンと⁴He核の強い相互作用による束縛状態である仮説的なηメシック⁴Heの実験的確認。
• η-陽子相互作用の性質およびN*(1535)共鳴状態とηメソンのフレーバー・シングレット成分への影響の解明。
• ビームエネルギーの連続的変化によるランピングを用いて統計的精度を向上させるとともに、系統的不確かさを低減することで、ηメシック核の実験的感度を向上させること。
• ⁴He-η束縛状態の生成断面積に対するより厳密な上限を設定する、もしくは励起関数に共鳴的構造が観測されるかを検証すること。

提案手法

• COSY加速器に設置されたWASA-at-COSY検出器を用い、反応dd → (⁴He-η)₆₆ → ³He p π⁻およびdd → (⁴He-η)₆₆ → ³He n π⁰の励起関数を測定する。
• 過剰エネルギーQ ∈ (-70, 30) MeVをカバーするため、デュートリウムビームエネルギーを2.127 GeV/cから2.422 GeV/cへ連続的に変化させ、系統的不確かさを最小限に抑える。
• 中心系フレームにおける陽子およびπ⁻の運動エネルギーおよびp-π⁻開口角に運動学的カットを適用し、束縛状態の信号を分離する。
• 励起関数のデータポイントの相対的正規化に、準弾性pp散乱を用いる。
• 二体反応dd → ³He nに基づき、平均照射率L ≈ 1.5 × 10³¹ cm⁻²s⁻¹を推定する。
• π⁰ → γγの崩壊を含む崩壊チェーンを分析し、³He n π⁰最終状態の高効率同定を実現する。

Figure 1: Reaction process of the ( ${}^{4}\mbox{He}$ - $\eta)_{bs}$ production and decay.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ηメソン生成閾値付近におけるdd → ³He p π⁻反応の励起関数に、⁴He-η束縛状態の存在を示す共鳴的構造が観測されるか？
• RQ2 2008年実験に比べ6倍の統計的精度が得られた2010年のデータは、⁴He-η束縛状態の感度を向上させ、もしくはその生成断面積の上限をより厳密に制約できるか？
• RQ3 観測された運動学的特徴（特にN*(1525)静止系におけるp-π⁻相対角度180°）は、⁴He-η束縛状態の崩壊と整合的か？
• RQ4 実験結果は、η-核散乱長の実部にどのような制約を課すか、特に束縛状態形成のための条件|Re(aₙₜₕᵤcₑ)| > |Im(aₙₜₕᵤcₑ)| との関係において。
• RQ5 理論的予測（特にN*(1535)共鳴状態およびηメソンのフレーバー・シングレット成分の役割）と実験結果はどのように一致するか？

主な発見

• 2008年のデータでは、過剰エネルギー-51.4 MeVから22 MeVの範囲をカバーするdd → ³He p π⁻反応の励起関数に、共鳴的構造は観測されなかった。
• 2010年の実験では、2008年実験に比べ40倍以上の統計的精度が得られ、合計155時間にわたるデータ取得が行われ、平均照射率は約1.5 × 10³¹ cm⁻²s⁻¹であった。
• 2つの崩壊チャンネルが測定された：dd → (⁴He-η)₆₆ → ³He p π⁻およびdd → (⁴He-η)₆₆ → ³He n π⁰ → ³He n γγ。信号同定の精度が向上した。
• 2010年データの解析は進行中であり、⁴He-η束縛状態の信号を観測するか、その生成断面積の上限を約6倍に厳密に制約できる可能性がある。
• ビームランピング技術により系統的不確かさが効果的に低減され、励起関数測定の精度が向上した。
• 実験装置および解析戦略は、束縛状態形成の理論的条件|Re(aₙₜₕᵤcₑ)| > |Im(aₙₜₕᵤcₑ)|の検証を目的として設計されており、ηメソンの性質および核子間相互作用に影響を及ぼす。