[論文レビュー] Possibility to study eta-mesic nuclei and photoproduction of slow eta-mesons at the GRAAL facility

V. A. Baskov, J.P. Bocquet+7 more|ArXiv.org|Jun 9, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、GRAAL施設における新しい実験を提案しており、タグ付き光子ビームと高分解能BGOキャリブレーターを用いて、η中間子核および低エネルギーη核相互作用を研究する。ゆっくりしたη中間子の崩壊生成物（πNおよびγγ最終状態を介して）と停止したS₁₁(1535)共鳴状態（NN最終状態を介して）を検出することで、η核の結合エネルギーと幅を測定することを目的としている。予想されるイベントレートは、pp最終状態で1日120件、放射性崩壊で1日75,000件であり、η核子ダイナミクスおよび核物質中効果の高精度な検証が可能となる。

ABSTRACT

A new experiment is proposed with the aim to study eta-mesic nuclei and low-energy interactions of eta with nuclei. Two decay modes of eta produced by a photon beam inside a nucleus will be observed, namely a collisional decay ηN o πN inside the nucleus and the radiative decay η o γγoutside. In addition, a collisional decay of stopped S_{11}(1535) resonance inside the nucleus, S_{11}(1535) N o N N, will be studied. The experiment can be performed using the tagged photon beam at ESRF with the end-point energy 1000 MeV and the GRAAL detector which includes a high-resolution BGO calorimeter and a large acceptance lead-scintillator time-of-flight wall. Some results of simulation and estimates of yields are given.

研究の動機と目的

• η中間子核の結合エネルギーと幅を、ηおよびS₁₁(1535)の崩壊からの排他的最終状態を用いて測定すること。
• η核子およびη核相互作用の理論的モデルを、η核のπNおよびNN崩壊チャネルの両方を観測することで検証すること。
• S₁₁(1535)の光励起カップリング測定における矛盾を、核物質中でのNN最終状態を介した崩壊を観測することで解消すること。
• しきい値付近のη光生成を調べることで、引力的η核相互作用およびそのエネルギー依存性に関する知見を得ること。
• η中間子核を基盤として、より重いベクトル中間子-核系の研究の可能性を検討すること。

提案手法

• ESRFでEγ,max ≈ 1000 MeVのタグ付き光子ビームを用い、核標的にγp → ηpを通じてη中間子を生成する。
• 時間飛行壁とBGOキャリブレーターを用いて、前方に進む陽子（p₁）および崩壊生成物（π⁰、γγ、またはpp）を同時に検出する。
• 三重一致トリガー（(π⁰pp₁)、(γγp₁)、または(p₁p₂p₃)）を適用し、η核およびS₁₁(1535)核の形成イベントを分離する。
• πNおよびNN最終状態の検出効率とバックグラウンド抑制をモデル化するためにモンテカルロシミュレーションを用いる。
• 断面積、光子フラックス（Nγ ≈ 2×10⁵ s⁻¹）、標的密度（¹²CではNₙ ≈ 7×10²³）を用いてイベントレートを推定し、検出効率および分岐比を考慮する。
• πNおよびNNペアのインバリアント質量スペクトルにピークを識別することで、束縛されたη中間子状態を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ¹²C中に形成されたη中間子核の結合エネルギーと幅は何か？ そして理論的予測と比較するとどうなるか？
• RQ2 η核の崩壊がπNとNNチャネルにどのように分配されるかが、核物質中におけるS₁₁(1535)共鳴状態のダイナミクスをどのように制約するか？
• RQ3 しきい値付近のη光生成のエネルギー依存性は何か？ そしてこれは引力的η核相互作用をどのように反映するか？
• RQ4 S₁₁(1535)の光励起カップリング測定における矛盾は、核物質中でのNN最終状態への崩壊を観測することで解消可能か？
• RQ5 束縛されたη中間子の放射性崩壊（η → γγ）をγγ最終状態で検出することは可能か？ そしてこれはη核相互作用の強さにどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• πN崩壊を通じたη核形成の推定イベントレートは、(p₁, p₂p₃)一致検出に基づき、1日約120件である。
• γγ崩壊を通じたゆっくりしたη光生成のイベントレートは、1日75,000件と推定され、研究の主要なチャネルとなる。
• 束縛されたη中間子の放射性崩壊（η → γγ）のイベントレートは、1日0.1件にとどまり、検出には不適切である。
• (π⁰pp₁)一致チャネルのイベントレートは、1日約1.5×10⁵件と推定され、πN崩壊チャネルの研究に強力な信号を提供する。
• (p₁, p₂p₃)チャネルは、S₁₁(1535)が2つの陽子に崩壊するプローブとしてクリアであり、NN最終状態の分岐比は約10%である。
• 複数の一致トリガーによるバックグラウンド抑制は非常に効果的であり、微小な断面積にもかかわらず、観測信号が実現可能である。