[論文レビュー] N* and Delta* decays into N pi0 pi0

U. Thoma, M. Fuchs+46 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2007

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 50被引用数 51

ひとこと要約

本研究は、陽子に対する二つの中性パイオンの光生成反応における最初の部分波解析を提示し、$N^*$および$\Delta^*$共鳴状態の$\Delta(1232)\pi$、$N(\pi\pi)_{S}$、$N(1440)P_{11}\pi$、$N(1520)D_{13}\pi$最終状態への部分幅を測定した。主な発見では、予期しない$\Delta\pi$崩壊パターン—特に抑制されたS波崩壊と直感に反するD波優位性—が明らかとなり、クォーク模型の予測を揺るがし、バリオンスペクトル学における動的効果の重要性を強調した。

ABSTRACT

Decays of baryon resonances in the second and the third resonance region into N pi0 pi0 are studied by photoproduction of two neutral pions off protons. Partial decay widths of N* and Delta* resonances decaying into Delta(1232) pi, N(ππ)_{S}, N(1440)P_{11} pi, and N(1520)D_{13} pi are determined in a partial wave analysis of this data, and data from other reactions. Several partial decay widths were not known before. Interesting decay patterns are observed which are not even qualitatively reproduced by quark model calculations. In the second resonance region, decays into Delta(1232) pi dominate clearly. The N(ππ)_{S}-wave provides a significant contribution to the cross section, especially in the third resonance region. The P_{13}(1720) properties found here are at clear variance to PDG values.

研究の動機と目的

• 複雑な最終状態、特に$\Delta(1232)\pi$、$N(\pi\pi)_{S}$、$N(1440)P_{11}\pi$、$N(1520)D_{13}\pi$への$N^*$および$\Delta^*$共鳴状態の部分幅を決定すること。
• 特に$N(\pi\pi)_{S}$および$\Delta\pi$最終状態を含む第二および第三共鳴領域における崩壊パターンを調査すること。
• $\Delta\pi$崩壊における角運動量および位相空間依存性を分析することで、クォーク模型の予測を実験データと照合すること。
• 特にS波およびD波$\Delta\pi$崩壊強度において、実験と理論モデルの乖離を特定すること。

提案手法

• データはELS Aのタグ付きガンマ線ビームとクリスタルバレル検出器を用いて収集され、最終状態に4個のガンマ線と陽子を含むイベントを選択した。
• 陽子を欠損粒子とみなして、$\gamma p \to p\,4\gamma$仮説に基づく1制約運動学的フィットを適用した。
• $\pi^0$のインヴァリアント質量に2σのカットを適用し、欠損陽子を仮定した$p\pi^0\pi^0$仮説に基づく3制約フィットを実施してイベントを選別した。
• GEANTを用いたモンテカルロシミュレーションにより、検出器の受容率を評価し、バックグラウンドレベルが1%未満であることを確認した。
• 部分波解析（PWA）を$\gamma p \to p\pi^0\pi^0$データに適用し、$\Delta(1232)\pi$、$N(\pi\pi)_{S}$、$N(1440)P_{11}\pi$、$N(1520)D_{13}\pi$の中間状態の寄与を含めた。
• モデル比較には、予測された部分幅振幅$x_i$と測定された部分幅振幅$y_i$を用いた品質因子$q_i = 4(|x_i| - |y_i|)^2 / (|x_i| + |y_i|)^2$を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑な最終状態$\Delta(1232)\pi$、$N(\pi\pi)_{S}$、$N(1440)P_{11}\pi$、$N(1520)D_{13}\pi$への$N^*$および$\Delta^*$共鳴状態の部分幅は何か？
• RQ2 S波崩壊が位相空間やクォーク模型の期待と一致しない抑制を示す特定の$\Delta\pi$崩壊モードの背後には、どのような理由があるか？
• RQ3 $N(1700)D_{13}$および$\Delta(1620)S_{31}$共鳴状態が、以前に報告のなかった$P_{11}(1440)\pi$への崩壊をどの程度強く行うか？
• RQ4 観測された$\Delta\pi$崩壊パターンは、構成クォーク模型や有効場理論の予測とどの程度食い違うか？
• RQ5 どの理論モデルが測定された部分幅を最もよく再現するか？そして、これはバリオン励起の背後にある力学的メカニズムに何を示唆するか？

主な発見

• 第二共鳴領域では、$\Delta\pi$崩壊チャンネルが断面積を支配しており、特に低エネルギー域で顕著である。これは、単純な位相空間期待とは逆である。
• $N(1700)D_{13}$共鳴状態は、S波崩壊よりもD波崩壊が強く、S波崩壊モードが動的抑制を受けることを示している。
• $N(1520)D_{13}$共鳴状態は、低運動量（約250 MeV/c）でD波が抑制されるはずの状況にもかかわらず、S波とD波の$\Delta\pi$崩壊強度が同等である。これは、軌道的角運動量選択則に反する。
• $N(1535)S_{11}$および$N(1650)S_{11}$共鳴状態は、$\Delta\pi$への強い結合を示しており、これは$L=2$の軌道的角運動量を必要とするが、これは予想外であり、強い動的効果を示唆している。
• $\Delta(1700)D_{33}$状態は$\Delta\pi$への崩壊が支配的であるが、S波優位とD波優位の2つの異なる解が得られ、二重極化測定による解消が不可欠であることを示した。
• 検討されたモデルの中で、Bijkerらのモデル（D）およびIachelloとLeviatanのモデル（E）がデータと最もよく一致し、それぞれの平均二乗品質因子は$q_D = 0.222$および$q_E = 0.219$であった。一方、クォーク模型（A）は全体の$q$値がわずかに高かったものの、14通りの崩壊モードのうち13通りで正しい崩壊シグネチャを予測した。