[論文レビュー] Study of a possibility of observation of hidden-bottom pentaquark resonances in bottomonium photoproduction on protons and nuclei near threshold

E. Ya. Paryev|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

Nuclear physics research studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、将来の電子-陽子衝突型加速器（EIC/EicC）において、陽子および原子核の閾値近傍で高精度な $Υ(1S)$ メソンの光生成反応を通じて、隠れcharmのない五価子状態 $P_b^+(11080)$, $P_b^+(11125)$, $P_b^+(11130)$ が観測可能である可能性を提案する。核スペクトル関数を用いた二段階反応機構を用いることで、特定の光子エネルギーで明確な断面積の増大が予測され、これらの特異な状態の明確な検出と崩壊分率の測定が可能となる。

ABSTRACT

We study the $\\Upsilon(1S)$ meson photoproduction on protons and nuclei at the near-threshold center-of-mass energies below 11.4 GeV (or at the corresponding photon laboratory energies $E_{\\gamma}$ below 68.8 GeV). We calculate the absolute excitation functions for the non-resonant and resonant photoproduction of $\\Upsilon(1S)$ mesons off protons at incident photon laboratory energies of 63--68 GeV by accounting for direct (${\\gamma}p \ o {\\Upsilon(1S)}p$) and two-step (${\\gamma}p \ o P^+_b(11080,11125,11130) \ o {\\Upsilon(1S)}p$) $\\Upsilon(1S)$ production channels within different scenarios for the non-resonant total cross section of elementary reaction ${\\gamma}p \ o {\\Upsilon(1S)}p$ and for branching ratios of the decays $P^+_b(11080,11125,11130) \ o {\\Upsilon(1S)}p$. We also calculate an analogous functions for photoproduction of $\\Upsilon(1S)$ mesons on $^{12}$C and $^{208}$Pb target nuclei in the near-threshold center-of-mass beam energy region of 9.0--11.4 GeV by considering respective incoherent direct (${\\gamma}N \ o {\\Upsilon(1S)}N$) and two-step (${\\gamma}p \ o P^+_b(11080,11125,11130) \ o {\\Upsilon(1S)}p$, ${\\gamma}n \ o P^0_b(11080,11125,11130) \ o {\\Upsilon(1S)}n$) $\\Upsilon(1S)$ production processes within a nuclear spectral function approach. We show that a detailed scan of the $\\Upsilon(1S)$ total photoproduction cross section on a proton and nuclear targets in the near-threshold energy region in future high-precision experiments at the proposed high-luminosity electron-ion colliders EIC and EicC in the U.S. and China should give a definite result for or against the existence of the non-strange hidden-bottom pentaquark states $P_{bi}^+$ and $P_{bi}^0$ ($i=$1, 2, 3) as well as clarify their decay rates.

研究の動機と目的

• 非ストレンジな隠れ底五価子状態 $P_b^{+}(11080, 11125, 11130)$ および $P_b^{0}(11080, 11125, 11130)$ が、閾値近傍の $Υ(1S)$ の光生成反応で観測可能かどうかを調査すること。
• 将来のEICおよびEicCにおける高精度実験が、これらの五価子状態の存在を明確に確認または否定できるかどうかを評価すること。
• $P_b^+ \to \Upsilon(1S)p$ および $P_b^0 \to \Upsilon(1S)n$ の崩壊の分率に、$Υ(1S)$ の励起断面積関数がどのように依存するかを特定すること。
• 核スペクトル関数が、$^{12}$Cおよび$^{208}$Pb標的に対する光生成反応における共鳴信号の強化に果たす役割を調査すること。

提案手法

• 直接反応および二段階反応機構を用いて、$\gamma p \to \Upsilon(1S)p$ および $\gamma N \to \Upsilon(1S)N$ の絶対的励起断面積関数を計算する。
• 二段階過程を $\gamma p \to P_b^+ \to \Upsilon(1S)p$ および $\gamma n \to P_b^0 \to \Upsilon(1S)n$ とモデル化し、$P_b^+$ および $P_b^0$ を中間共鳴状態として扱う。
• 最終状態相互作用および核標的における非同一光生成反応を考慮するため、核スペクトル関数アプローチを適用する。
• 非共鳴的 $\gamma p \to \Upsilon(1S)p$ 断面積の複数のシナリオと、$P_b^+ \to \Upsilon(1S)p$ 崩壊の変動する分率を検討する。
• 共鳴信号を特定するために、閾値近傍（63–68 GeV）のエネルギー走査を実施する。
• 核標的（$^{12}$Cおよび$^{208}$Pb）と陽子標的の結果を比較し、核強化効果を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $P_b^+(11080)$, $P_b^+(11125)$, $P_b^+(11130)$ の五価子状態は、閾値近傍の陽子上での $Υ(1S)$ の光生成反応によって検出可能か？
• RQ2 $P_b^+ \to \Upsilon(1S)p$ および $P_b^0 \to \Upsilon(1S)n$ の崩壊分率が、$Υ(1S)$ の光生成反応における観測可能な断面積構造にどのように影響するか？
• RQ3 $^{12}$Cおよび$^{208}$Pbのような核標的が、自由陽子と比較して隠れ底五価子状態の信号をどの程度強化するか？
• RQ4 核標的における合成励起断面積関数は、自由核子よりも五価子状態の崩壊分率をより正確に決定できるか？

主な発見

• $P_b^+(11080)$ 状態は、陽子上での $Υ(1S)$ の全光生成断面積において、$E_\gamma = 64.95$ GeV に明確で細いピークを形成する。
• $P_b^+(11125)$ および $P_b^+(11130)$ 状態は60 MeVの質量差を有するが、重ね合わせにより $E_\gamma \approx 65.50$ GeV 付近に一つの広いピークとして現れる。
• 崩壊分率 $Br[P_b^+ \to \Upsilon(1S)p]$ がそれぞれ2%および10%の場合、ピーク断面積は数十から数百ピコバーンに達する。
• 核標的は閾値以下および以上で $Υ(1S)$ 生成断面積を強化し、その強度は五価子状態の崩壊分率に強く依存する。
• $^{208}$Pb における共鳴断面積は、分率が5–10%を超えると1–10 nbに達し、EIC/EicCで高統計的測定が可能となる。
• 核標的における測定は、自由陽子よりもはるかに高い統計的精度が得られ、五価子状態の崩壊分率のより正確な決定が期待される。