[논문 리뷰] A Search for the LHCb Charmed 'Pentaquark' using Photo-Production of $J/ψ$ at Threshold in Hall C at Jefferson Lab

Z.-E. Meziani, S. Joosten외 57명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 제퍼슨 랩의 홀 C에서 액체 수소 타겟에 브레머스트라할루션 광자 빔을 이용해 LHCb의 케이드 펜타쿠아르크 상태 $P_c(4380)$ 및 $P_c(4450)$의 임계값 근처에서 $J/\psi$의 광생성 탐색을 통해 고정밀도로 탐지하는 방법을 제안한다. 실험은 고운동량 분석기로 $J/\psi \to e^+e^-$ 붕괴를 탐지하여 이들의 공명 성질을 확인하고, $J/\psi p$ 채널로의 결합 상수가 1.3%에 이르는 경우에도 >5σ의 민감도를 확보하며, 5% 결합 상수일 경우 20σ 이상의 발견 민감도를 예측한다.

ABSTRACT

We propose to measure the photo-production cross section of $J/ψ$ near threshold, in search of the recently observed LHCb hidden-charm resonances $P_c$(4380) and $P_c$(4450) consistent with 'pentaquarks'. The observation of these resonances in photo-production will provide strong evidence of the true resonance nature of the LHCb states, distinguishing them from kinematic enhancements. A bremsstrahlung photon beam produced with an 11 GeV electron beam at CEBAF covers the energy range of $J/ψ$ production from the threshold photo-production energy of 8.2 GeV, to an energy beyond the presumed $P_c$(4450) resonance. The experiment will be carried out in Hall C at Jefferson Lab using a 50μA electron beam incident on a 9% copper radiator. The resulting photon beam passes through a 15 cm liquid hydrogen target, producing $J/ψ$ mesons through a diffractive process in the $t$-channel, or through a resonant process in the $s$- and $u$-channel. The decay $e^+e^-$ pair of the $J/ψ$ will be detected in coincidence using the two high-momentum spectrometers of Hall C. The spectrometer settings have been optimized to distinguish the resonant $s$- and $u$-channel production from the diffractive $t$-channel $J/ψ$ production. The $s$- and $u$-channel production of the charmed 5-quark resonance dominates the $t$-distribution at large $t$. The momentum and angular resolution of the spectrometers is sufficient to observe a clear resonance enhancement in the total cross section and $t$-distribution. We request a total of 11 days of beam time with 9 days to carry the main experiment and 2 days to acquire the needed $t$-channel elastic $J/ψ$ production data for a calibration measurement. This calibration measurement in itself will greatly enhance our knowledge of $t$-channel elastic $J/ψ$ production near threshold.

연구 동기 및 목표

• 임계값 근처에서의 광생성에 의한 $P_c(4380)$ 및 $P_c(4450)$의 생성을 통해 LHCb에서 관측된 히든-초크 케이드 펜타쿠아르크의 공명 성질을 확인한다.
• 운동량 공간에서의 증거로 진짜 공명 $s$- 및 $u$-채널 $J/\psi p$ 생성을 운동학적 강화 또는 $t$-채널 분해성 과정과 구별한다.
• $J/\psi$ 광생성의 $t$-분포 및 총 단면적을 측정하여 공명 강화를 식별한다.
• 이론적 논쟁을 해결하기 위해, LHCb 상태가 진정한 펜타쿠아르크인지 운동학적 효과인지에 대한 핵심 데이터를 제공한다.
• 임계값 근처에서의 $t$-채널 탄성 $J/\psi$ 생성을 校정하여 이 에너지 영역에서 세계적 데이터를 크게 향상시킨다.

제안 방법

• CEBAF에서 11 GeV 전자 빔을 이용해 8.2–10.5 GeV 범위의 브레머스트라할루션 광자 빔을 생성하며, 이는 $J/\psi$ 생성 임계값과 일치하거나 이를 초과한다.
• 광자 빔을 15 cm 액체 수소 타겟을 통과시켜 $s$-, $u$-, $t$-채널 과정을 통해 $\gamma p \to J/\psi p$ 반응을 유도한다.
• 홀 C의 두 고운동량 분석기로 $J/\psi \to e^+e^-$ 붕괴 입자를 동시 탐지하며, 운동량 및 각도 해상도가 최적화되어 있다.
• 분석기 설정 #1 및 #2를 사용하여 수용률을 극대화하고 $s$/$u$-채널 공명 생성과 $t$-채널 분해성 배경을 구별한다.
• 빈도수 기반 로그우도 분석을 Wilk의 정리에 따라 적용하여 민감도를 평가하며, $t$-채널 단면적과 $P_c$ 공명 기여를 5% 결합 상수 기준으로 모델링한다.
• 주 데이터 수집은 설정 #1에서 9일간, 설정 #2에서 캘리브레이션 2일간 실시하며, 렙토생성 및 우연적 동시성 측정을 포함한 제어 측정도 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHCb에서 관측된 $P_c(4450)$ 및 $P_c(4380)$ 상태가 임계값 근처에서의 광생성에 의해 진정한 공명으로 확인될 수 있는가?
• RQ2 이 실험은 $J/\psi p$ 최종 상태로의 다양한 결합 상수를 가진 $P_c$ 공명에 대해 어느 정도 민감한가?
• RQ3 $J/\psi$ 생성의 $t$-분포는 $s$/$u$-채널 공명 생성과 $t$-채널 분해성 과정을 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ4 임계값 근처에서 측정된 $J/\psi$ 광생성 단면적은 기존 세계 데이터 및 이론 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 LHCb 신호가 진정한 공명이 아니라 운동학적 강화에서 기인할 가능성은 어느 정도 배제될 수 있는가?

주요 결과

• 이 실험은 $J/\psi p$ 채널로의 결합 상수가 1.3%에 이르는 $P_c$ 공명에 대해 >5σ 민감도를 확보하여 약한 결합을 가진 상태의 발견이 가능하다.
• 5% 결합 상수일 경우 민감도가 20σ를 초과하여 $P_c$ 가설을 확인하거나 배제할 수 있는 높은 통계적 능력을 지닌다.
• 1.3% 결합 상수에 대한 예측된 $E_\gamma$ 스펙트럼은 특히 $t$-분포에서 $t$-채널 배경을 초월한 명확한 공명 강화를 보여준다.
• t-채널 $J/\psi$ 생성의 캘리브레이션 측정은 임계값 영역에서 세계적 데이터를 크게 향상시키며, CLAS12 및 SoLID 프로그램에 직접적인 영향을 미친다.
• 분석 결과 5%의 결합 상수가 기존의 $J/\psi$ 광생성 데이터 및 이론적 추정치와 일치하며, 이는 기준으로서의 합리성을 뒷받침한다.
• 이 실험은 광생성에 의한 $P_c$ 상태의 첫 직접 증거를 제공할 것으로 기대되며, 오랫동안 지속된 이들의 공명 성질에 대한 모호함을 해소할 것이다.