[論文レビュー] Strange Hadron Spectroscopy with Secondary KL Beam in Hall D

K Fanebust for the NA Collaboration, M. J. Amaryan+151 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2020

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 228被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、ジェファーソンラボのハリーディスの二次的 $K_L$ ビームを用いて、パentaクォークや共鳴子を含むエキゾチック状態を $K_L p \to \pi Y$ および $K_L Y$ 反応を通じて研究する、奇妙なハドロン分光論の提案を行う。高強度ビームにより、ハイパーポラリゼーション、二重奇妙ハイパーヌクレウス、および $K_L \to K^+ e^- \bar{\nu}_e$ のようなレア崩壊の高精度測定が可能となり、QCD、中性子皮膜、エキゾチックハドロン状態に関する新たな知見が得られる。

ABSTRACT

We propose to create a secondary beam of neutral kaons in Hall D at Jefferson Lab to be used with the GlueX experimental setup for strange hadron spectroscopy. The superior CEBAF electron beam will enable a flux on the order of $1 imes 10^4~K_L/sec$, which exceeds the flux of that previously attained at SLAC by three orders of magnitude. The use of a deuteron target will provide first measurements ever with neutral kaons on neutrons. The experiment will measure both differential cross sections and self-analyzed polarizations of the produced $Λ$, $Σ$, $Ξ$, and $Ω$ hyperons using the GlueX detector at the Jefferson Lab Hall D. The measurements will span CM $\cosθ$ from $-0.95$ to 0.95 in the range W = 1490 MeV to 2500 MeV. The new data will significantly constrain the partial wave analyses and reduce model-dependent uncertainties in the extraction of the properties and pole positions of the strange hyperon resonances, and establish the orbitally excited multiplets in the spectra of the $Ξ$ and $Ω$ hyperons. Comparison with the corresponding multiplets in the spectra of the charm and bottom hyperons will provide insight into he accuracy of QCD-based calculations over a large range of masses. The proposed facility will have a defining impact in the strange meson sector through measurements of the final state $Kπ$ system up to 2 GeV invariant mass. This will allow the determination of pole positions and widths of all relevant $K^\ast(Kπ)$ $S$-,$P$-,$D$-,$F$-, and $G$-wave resonances, settle the question of the existence or nonexistence of scalar meson $κ/K_0^\ast(700)$ and improve the constrains on their pole parameters. Subsequently improving our knowledge of the low-lying scalar nonet in general.

研究の動機と目的

• ハリーディの高強度二次的 $K_L$ ビームを用いて、奇妙バリオンおよびメソンの分光論を調査すること。
• 三クォークモデルでは記述できないエキゾチックハドロン状態、特にパentaクォークや二重奇妙ハイパーヌクレウスを探索すること。
• $K_L \to K^+ e^- \bar{\nu}_e$ のようなレア $K_L$ 崩壊を、分岐比 $\sim 4 \times 10^{-9}$ で測定し、標準模型の検証を可能とすること。
• $K_L$ が複雑な核に散乱する際のハイパーポールの核中性子効果を、ハイパーヌクレウス束縛状態の形成を通じて調べること。
• $K_L$ 散乱を用いて重い核の中性子皮膜を測定し、中性子星構造および核力に関する制約を提供すること。

提案手法

• ジェファーソンラボの連続電子ビーム加速器施設（CEBAF）で生成される高強度かつ運動量制御可能な二次的 $K_L$ ビームを用いる。
• ハリーディの大型スルーレイジ・検出器系を用いて、$K_L p \to \pi Y$ および $K_L p \to K Y$ 反応の排他的測定を実施する。
• 自己分析型ハイパーポール崩壊を活用して、反動バリオンの偏極を再構築し、二重偏極観測量を可能とする。
• フォワードパイオンタグギングと運動量選択を用いて、低運動量ハイパーポールまたはハイパーヌクレウス状態を有するイベントを特定する。
• 極めてまれな $K_L$ ベータ崩壊を検出するための十分な効率を実現する専用検出器系を設計し、高いビーム安定性と低バックグラウンドを要件とする。
• 特にエキゾチック状態および核中性子効果に関して、理論的モデルと有効場理論を用いてデータを解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $K_L p$ 散乱で生成される奇妙バリオンおよびメソンの分光的構造は何か？ また、パentaクォークのようなエキゾチック状態を含むか？
• RQ2 $K_L$ ビームは、三クォークモデルでは記述できないエキゾチックバリオン状態の存在または非存在を示す証拠を提供できるか？
• RQ3 レア崩壊 $K_L \to K^+ e^- \bar{\nu}_e$ の断面積および分岐比は何か？ そして、十分な感度で測定可能か？
• RQ4 $K_L$ が複雑な核に散乱することで、低運動量のハイパーヌクレウス束縛状態が生成可能か？ それらはハイパーポール-核子相互作用について何を明らかにするか？
• RQ5 重い核に対する $K_L$ 散乱は、中性子皮膜の厚さをどの程度制約できるか？ また、中性子星構造および冷却機構にどのような影響を及えるか？

主な発見

• JLabハリーディに提案される $K_L$ ビーム施設は、200日間の運用で約700件の空中 $K_L$ ベータ崩壊イベントを生成でき、分岐比 $\sim 4 \times 10^{-9}$ のレア崩壊 $K_L \to K^+ e^- \bar{\nu}_e$ の測定が可能となる。
• $K_L$ ビームの高強度により、励起ハイパーポール分光論計画に必要な光度で、奇妙領域におけるエキゾチックハドロン状態の存在または非存在を明確に特定できる。
• フォワードパイオンタグギングにより、ハイパーポールが低相対運動量で生成されるイベントを特定でき、ハイパーヌクレウス束縛状態の形成と研究が可能となる。
• 重い核への $K_L$ 散乱は、中性子皮膜の新しいプローブを提供し、他の手法と比較してシステムティクスが小さく、中性子星構造および冷却機構に関する制約を提供する可能性がある。
• $K_L$ ビームにより、偏極標的にして自己分析型ハイパーポール崩壊を用いることで、$K_L p \to K Y$ 反応において三つの独立した観測量にアクセスできる。
• この施設は、$K^+$ 诱发反応を通じて二重奇妙ハイパーヌクレウスを研究する画期的な機会を提供し、固定標的においてそれらの状態を初めて観測する可能性を秘めている。