[논문 리뷰] Inclusive production of the $P_c$ resonances in $p \overline p $ collisions

D Collaboration|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 D0에서 $p\bar{p}$ 충돌에서 $\Lambda_b^0 \to J/\psi pK^-$ 붕괴를 이용하여 $P_c(4440)$ 및 $P_c(4457)$ 펜타쿼크 상태에 대한 최초의 확인 증거를 제시한다. LHCb 공명 매개변수와 D0 시스템적 오차를 포함할 때 관측된 의미 있는 수준은 $3.2\sigma$이며, 측정된 $P_c$ 신호 수확은 $82 \pm 37$ 건이며, LHCb 결과와 일치하는 비율 $f = 0.61 \pm 0.23$을 보인다.

ABSTRACT

We present a study of the inclusive production in $p \overline p $ collisions of the pentaquark states $P_c(4440)$ and $P_c(4457)$ with the decay to the $J/ψp$ final state previously observed by the LHCb experiment. Using a sample of candidates originating from decays of $b$-flavored hadrons, we find an enhancement in the $J/ψp$ invariant mass distribution consistent with a sum of $P_c(4440)$ and $P_c(4457)$. The significance, with the input parameters set to the LHCb values, is $3.0σ$. This is the first confirmatory evidence for these pentaquark states. We measure the ratio $N_{ m prompt}/N_{ m nonprompt}=0.05 \pm 0.39$ and set an upper limit of 0.8 at the 95\% credibility level. The ratio of the yield of the $P_c(4312)$ to the sum of $P_c(4440)$ and $P_c(4457)$ is less than 0.6 at the 95\% credibility level. The study is based on $10.4~ m{fb^{-1}}$ of data collected by the D0 experiment at the Fermilab Tevatron collider.

연구 동기 및 목표

• 테바트론에서 $p\bar{p}$ 충돌에서 $P_c$ 펜타쿼크 공명의 포함적 생성을 탐색하기 위해.
• LHCb와 다른 콜라이더 환경에서 $P_c(4440)$ 및 $P_c(4457)$ 상태의 존재를 검증하기 위해.
• $X \neq K^-$인 경우 $\Lambda_b^0 \to P_c X$ 붕괴 가능성 조사하기, $K^-$ 최종 상태 이외의 경우를 고려하여.
• $P_c$ 상태의 즉각적 대비 비즉각적 생성 비율을 측정하고 LHCb 결과와 비교하기.
• D0 데이터를 사용하여 $P_c$ 신호 수확과 $f$-비율이 LHCb에서 보고한 값과 일치하는지 평가하기.

제안 방법

• $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ 및 이심점에서의 $pK^-$ 후보를 이용하여 $\Lambda_b^0 \to J/\psi pK^-$ 붕괴를 재구성하기.
• $p\bar{p}$ 충돌 이벤트에서의 이심점에서 최소 $3\sigma$의 횡방향 이격 조건과 지향각 제약 조건($\alpha < 0.06$ 라디안)을 적용하기.
• $\Lambda_b^0$ 신호 영역을 질량 분 giải도의 $\pm 2.5$ 표준편차에 해당하는 5.52–5.72 GeV로 정의하기.
• 배경을 $B^0_d \to J/\psi K^\pm\pi^\mp$ 붕괴(피크 배경)와 다체 $H_b$ 붕괴(감쇠 배경)를 사용하여 모델링하기.
• LHCb에서의 질량 및 폭 값으로 얻은 공명 형상 함수를 사용하여 $\Lambda_b^0$ 영역 내에서 $J/\psi p$ 관측 질량 분포에 대한 피팅 수행하기.
• LHCb에서 수행한 바와 같이 $M(pK) > 1.9$ GeV 조건을 적용하여 $\Lambda_b \to J/\psi \Lambda^*$ 기여를 억제하고, 신호의 강인성을 시험하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테바트론에서의 포함적 $p\bar{p}$ 충돌에서 $P_c(4440)$ 및 $P_c(4457)$ 펜타쿼크 상태에 대한 증거가 있는가?
• RQ2 D0 시스템적 오차와 LHCb 공명 매개변수 오차를 모두 포함할 때 $P_c$ 신호의 통계적 의미 있는 수준은 얼마인가?
• RQ3 LHCb의 $K^-$ 최종 상태 이외의 $X$ 최종 상태에 대한 $\Lambda_b^0 \to P_c X$ 붕괴가 데이터에서 지지되는가?
• RQ4 $P_c(4440)$ 대 $P_c(4457)$ 수확 비율은 얼마이며, LHCb 측정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 $P_c(4450)$ 상태의 즉각적 생성에 대한 증거가 있는가, 아니면 주로 비즉각적 생성인가?

주요 결과

• D0 시스템적 오차와 LHCb 공명 매개변수 오차를 모두 포함할 때 $P_c(4440)$ 및 $P_c(4457)$ 신호에 대해 $3.2\sigma$의 의미 있는 수준이 관측되었다.
• 피팅된 신호 수확은 $82 \pm 37$ 건이며, 오직 D0 오차만을 사용할 경우 통계적 의미 있는 수준은 $3.7\sigma$였다.
• 측정된 비율 $f = N(4440)/(N(4440)+N(4457)) = 0.61 \pm 0.23$는 LHCb 값과 일치한다.
• $M(pK) > 1.9$ GeV 조건을 적용하여 $\Lambda_b \to J/\psi \Lambda^*$ 기여를 억제한 후, 신호 수확은 $13 \pm 14$ 건으로 감소하여 다른 $X$ 최종 상태의 기여 가능성을 시사한다.
• $P_c(4312)$ 대 $P_c(4440)$와 $P_c(4457)$ 합산의 비율은 $0.18 \pm 0.22$로, LHCb 측정치와 일치한다.
• 즉각적 생성에 대한 $P_c(4450)$ 상태의 증거는 발견되지 않았으며, $N_{\rm prompt}/N_{\rm nonprompt} = 0.1 \pm 0.4$이며, 95% 신뢰 수준에서 상한선은 0.9 이하였다.