[논문 리뷰] 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)|2020. 07. 01.

Nuclear physics research studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 향후 전자-양성자 충돌기에서 임계값 근처에서 고정밀도 $Υ(1S)$ 메손의 광생성 반응을 통해 은폐된 바텀 펜타쿼크 공명 상태 $P_b^+(11080)$, $P_b^+(11125)$, 및 $P_b^+(11130)$ 를 관측할 수 있을 것이라 제안한다. 핵의 스펙트럼 함수를 포함한 이중 단계 반응 메커니즘을 사용하여 특정 광자 에너지에서 명확한 단면적 증가를 예측하며, 이는 이러한 이색 상태의 확실한 검출과 분해비 측정을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임계값 근처 $Υ(1S)$ 광생성 반응에서 비-strange 은폐된 바텀 펜타쿼크 상태 $P_b^{+}(11080, 11125, 11130)$ 와 $P_b^{0}(11080, 11125, 11130)$ 의 관측 가능성 조사
• 향후 EIC와 EicC에서의 고정밀 실험들이 이러한 펜타쿼크의 존재 여부를 확실하게 확인하거나 배제할 수 있는지 평가
• $P_b^+ \to \Upsilon(1S)p$ 와 $P_b^0 \to \Upsilon(1S)n$ 분해의 분해비에 대한 $Υ(1S)$ 자극 함수의 민감도 결정
• $^{12}$C 와 $^{208}$Pb 타겟에서의 광생성 반응에서 핵의 스펙트럼 함수가 공명 신호를 어떻게 증폭시키는지 탐색

제안 방법

• $\gamma p \to \Upsilon(1S)p$ 와 $\gamma N \to \Upsilon(1S)N$ 의 절대 자극 함수를 직접 및 이중 단계 반응 메커니즘을 사용하여 계산
• 이중 단계 과정을 $\gamma p \to P_b^+ \to \Upsilon(1S)p$ 와 $\gamma n \to P_b^0 \to \Upsilon(1S)n$ 로 모델링하며, $P_b^+$ 와 $P_b^0$ 는 중간 공명 상태로 간주
• 최종 상태 상호작용과 핵 타겟에서의 비공명 광생성 반응을 고려하기 위해 핵의 스펙트럼 함수 접근법 적용
• 비공명 $\gamma p \to \Upsilon(1S)p$ 단면적에 대한 여러 시나리오와 $P_b^+ \to \Upsilon(1S)p$ 분해비의 변화를 고려
• 임계값 근처 영역(63–68 GeV 광자 에너지)에서 에너지 스캔을 수행하여 공명 신호 식별
• 프로톤 타겟과 $^{12}$C, $^{208}$Pb 타겟의 결과를 비교하여 핵의 증폭 효과 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임계값 근처에서 프로톤에서의 $Υ(1S)$ 광생성 반응을 통해 $P_b^+(11080)$, $P_b^+(11125)$, $P_b^+(11130)$ 펜타쿼크 상태를 검출할 수 있는가?
• RQ2 $P_b^+ \to \Upsilon(1S)p$ 와 $P_b^0 \to \Upsilon(1S)n$ 분해비가 $Υ(1S)$ 광생성 반응에서 관측 가능한 단면적 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 $^{12}$C 와 $^{208}$Pb 와 같은 핵 타겟이 자유 프로톤에 비해 은폐된 바텀 펜타쿼크의 신호를 어느 정도 증폭시키는가?
• RQ4 핵 타겟에서의 병합 자극 함수는 자유 뉴클론보다 펜타쿼크 분해비를 더 정확하게 결정하는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• $P_b^+(11080)$ 상태는 프로톤에서의 총 $Υ(1S)$ 광생성 단면적에서 $E_\gamma = 64.95$ GeV 에서 명확하고 좁은 피크를 생성한다.
• $P_b^+(11125)$ 와 $P_b^+(11130)$ 상태는 60 MeV의 질량 분리로 인해 겹치는 공명으로 인해 $E_\gamma \approx 65.50$ GeV 근처에 단일 넓은 피크로 합쳐진다.
• 분해비 $Br[P_b^+ \to \Upsilon(1S)p]$ 가 각각 2%와 10%일 경우 피크 단면적 값은 수 펙토바른에서 수 백 펙토바른 수준에 도달한다.
• 핵 타겟은 임계값 이하와 이상에서 $Υ(1S)$ 생성 단면적을 증폭시키며, 이 증폭은 펜타쿼크 분해비에 매우 민감하다.
• 분해비가 5–10% 이상일 경우 $^{208}$Pb 에서의 공명 단면적은 1–10 nb 수준에 도달하여 EIC/EicC에서 고통계 측정이 가능하다.
• 핵 타겟에서의 측정은 자유 프로톤보다 훨씬 높은 통계를 제공할 것으로 예상되며, 이는 펜타쿼크 분해비를 보다 정밀하게 결정하는 데 유리하다.