[論文レビュー] Strong interaction studies with PANDA

J. G. Messchendorp|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2010

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

FAIRにおけるPANDA実験は、高強度で位相空間冷却された反陽子ビームを用い、ハドロンの強い相互作用を、charmおよびオープンcharm状態、グルーゴリックやハイブリッド状態を含むExoticハドロン、および物質中でのハドロン的効果の精密分光測定によって研究する。内部標的に基づき、ほぼ4πの立体角をカバーする多目的検出器を用いることで、ハドロン最終状態の高分解能測定が可能となり、摂動的および非摂動的QCD領域の橋渡しを果たし、格子QCDや有効場理論で予測されるレアでExoticな状態にアクセスできる。

ABSTRACT

The theory of Quantum Chromo Dynamics (QCD) reproduces the strong interaction at distances much shorter than the size of the nucleon. At larger distance scales, the generation of hadron masses and confinement cannot yet be derived from first principles on basis of QCD. The PANDA experiment at FAIR will address the origin of these phenomena in controlled environments. Beams of antiprotons together with a multi-purpose and compact detection system will provide unique tools to perform studies of the strong interaction. This will be achieved via precision spectroscopy of charmonium and open-charm states, an extensive search for exotic objects such as glueballs and hybrids, in-medium and hypernuclei spectroscopy, and more. An overview is given of the physics program of the PANDA collaboration.

研究の動機と目的

• 摂動的でないQCDにおけるハドロン質量生成および閉じ込めの起源を、反陽子-陽子消失反応を用いて調査すること。
• 格子QCDで予測されるが、まだ明確に実験的に確立されていないグルーゴリックやハイブリッド状態のようなExoticハドロン状態を探索すること。
• 核物質中におけるハドロン性質の変化、特にDおよびチャーミオン状態の変化を調査し、物質中での効果とスペクトルシフトを調べること。
• 一般化部分子分布関数や仮想コンプトン散乱を含む電磁的プローブを用いて、陽子の内部構造を調べること。
• ハイパーニュクレオンの高精度分光測定を可能にし、ストレンジネス核物理学におけるハイパーニュートロン-核子およびハイパーニュートロン-ハイパーニュートロン相互作用を寄与すること。

提案手法

• FAIRのHESR貯蔵リングで、~10⁻⁵の運動量分解能と最大2×10³² cm⁻²s⁻¹の光度を持つ位相空間冷却反陽子ビームを用いる。
• p̄pおよびp̄A反応のため、凍結水素ペレット、クラスタージェット、またはワイヤーターゲットといった内部標的を用い、相互作用率と検出効率を最大化する。
• 荷電粒子および光子のほぼ4πの立体角をカバーする大立体角・多目的検出器を導入し、共鳴状態の明確な部分波解析を可能にする。
• π、K、p、e、μ、γの精度の高い運動量および粒子識別を実装し、D⁰、K⁰ₛ、およびΛの崩壊からのずれた頂点の再構成が可能である。
• 二電子状態（例：Ψ(3770) → e⁺e⁻）を用いて、インvariant質量再構成によりチャーミオン状態の物質中でのスペクトルシフトを測定する。
• 仮想光子生成（p̄p → e⁺e⁻）を活用し、時間的領域における電磁的フォーム因子やDrell-Yan過程によるクォーク分布関数をアクセスする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DD̄しきい値を超えるチャーミオン状態の質量および幅は何か？ これらは非摂動的QCD効果をどのように露わにするか？
• RQ2 4.2–4.5 GeV/c²の予測質量を持つ1⁻⁺Exoticチャーミオンハイブリッド状態や0⁺⁺グルーゴリック状態が、3–5 GeV/c²のエネルギー領域で発見可能か？
• RQ3 密な核物質中におけるチャーミオンおよびDメソンの質量および幅はどのように変化するか？ これは物質中でのハドロン的相互作用に何を示唆するか？
• RQ4 電磁的プローブ（e⁺e⁻、γ、Drell-Yan）が、時間的領域における一般化部分子分布関数および陽子のスピン構造をどの程度露わにするか？
• RQ5 p̄A反応で形成されるハイパーニュクレオンの性質は何か？ これらはハイパーニュートロン-核子およびハイパーニュートロン-ハイパーニュートロン相互作用をどのように制約するか？

主な発見

• PANDA実験は、反陽子ビームの運動量分解能を~10⁻⁵にすることで、検出器応答ではなくビーム品質に制限される高精度分光測定を実現するように設計されている。
• 格子QCDは、4.2–4.5 GeV/c²のエネルギー領域に1⁻⁺Exoticチャーミオンハイブリッド状態と、4.5 GeV/c²付近の0⁺⁺グルーゴリック状態を予測しており、両者ともp̄p消失反応で約100 pbの大きな生成断面積を示す。
• Ψ(3770)チャーミオン状態の物質中での質量シフトは最大で–100 MeVに達すると予測され、二電子のinvariant質量測定により実験的に測定可能である。
• p̄A反応チャネルにより、核物質中におけるDメソンのスペクトル関数を研究でき、Dメソン質量がDD̄しきい値未満に低下すれば、幅の増大が予想される。
• 検出器は1秒間に最大10⁷件の消失反応を処理でき、主要なハドロンおよびレプトンの完全な粒子識別と運動量分解能を有する。
• 実験により、二電子崩壊チャネルを用いたチャーミオン状態の物質中でのスペクトル形状の初めての直接測定が可能となり、密な物質中のQCDを独自に探査する手段が得られる。