[論文レビュー] Search for He-eta bound states with the WASA-at-COSY facility

M. Skurzok, P. Moskal+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2011

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 19被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、WASA-at-COSY施設における高統計・高効率測定を用いて、4He核とη中間子の束縛状態を探索した。ビームモーメンタムを2.127から2.422 GeV/cに連続的に変化させることで、dd → ³He p π⁻およびdd → ³He n π⁰の崩壊チャンネルにおける励起関数を測定したが、⁴He-η束縛状態に一致する共鳴構造は観測されず、以前の測定と比較して約6倍低い新しい生産断面積の上限が設定された。

ABSTRACT

The existence of eta-mesic nuclei in which the eta meson is bound in a nucleus by means of the strong interaction was postulated already in 1986, albeit not yet confirmed it by experiment. The discovery of this new kind of an exotic nuclear matter would be very important as it might allow for a better understanding of the eta meson structure and its interaction with nucleons. The search for eta-mesic helium 4He-eta is carried out with high statistics and high acceptance with the WASA detector, installed at the cooler synchrotron COSY of the Research Center Juelich. The search is conducted via the measurement of the excitation function for selected decay channels of the 4He-eta system. In the experiment, performed in November 2010, two reactions dd->(4He-eta)bs ->3He p pi- and dd->(4He-eta)bs ->3He p pi0 were measured with a beam momentum ramped from 2.127GeV/c to 2.422GeV/c. The report includes the description of the experimental method and status of the measurement.

研究の動機と目的

• η中間子が強い相互作用によって⁴Heに束縛されたη中間子状⁴He核の存在を実験的に確認すること。
• η核子相互作用の性質と、N*(1535)共鳴状態およびη中間子のフレーバー・シングレット成分に与える影響を調査すること。
• 高い統計と高い検出器効率を達成することで、弱く束縛されたη中間子状状態への感度を向上させること。
• ビームモーメンタムの連続的変化により系統的不確実性を低減し、閾値付近での正確な励起関数測定を可能にすること。
• 信号が観測されない場合、⁴He-η束縛状態の生産断面積に対するきびしい上限を設定すること。

提案手法

• 実験はCOSY加速器に設置されたWASA検出器を用い、重水素-重水素衝突からの完全な最終状態を測定する。
• ビームモーメンタムを2.127から2.422 GeV/cに連続的に変化させ、過剰エネルギーを-70 MeVから+30 MeVにカバーし、η生成閾値（2.336 GeV/c）を通過した。
• 2つの崩壊チャンネルを測定した：dd → (⁴He-η)_{bs} → ³He p π⁻およびdd → (⁴He-η)_{bs} → ³He n π⁰ → ³He n γγ。
• 検出器効率は、⁴He内の核子運動量分布にAV18ポテンシャルモデルを用いてシミュレートされ、2つのチャンネルの平均効率はそれぞれ約53%および約50%となった。
• 励起関数は準弾性pp散乱を用いて正規化され、2次多項式とBreit-Wigner関数の組み合わせでフィッティングされ、共鳴構造の探索が行われた。
• 検出器効率、および中心系フレームにおけるpおよびπ⁻の運動エネルギーとp-π⁻開口角の運動学的カットを分析に組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 dd衝突におけるη生成閾値未満の⁴He-η系に束縛状態共鳴が見られるか？
• RQ2 ³He p π⁻および³He n π⁰最終状態の励起関数が、η中間子状⁴He核を示す狭い共鳴構造を明らかにできるか？
• RQ3 高統計データを用いて、⁴He-η束縛状態の生産断面積の上限は何か？
• RQ4 シミュレートされた検出器効率と運動学的カットは、弱く束縛された状態への感度にどのように影響するか？
• RQ5 観測されなかった共鳴構造は、η-⁴He散乱長の実部|Re(a)|が虚部|Im(a)|より大きいという理論予測と整合しているか？

主な発見

• dd → ³He p π⁻反応の励起関数には共鳴構造が観測されず、⁴He-η束縛状態の証拠はないことが示された。
• 測定された励起関数には、η生成閾値未満で増強が見られず、顕著な束縛状態信号は排除された。
• ³He p π⁻チャンネルの平均検出器効率は約53%、³He n π⁰チャンネルでは約50%であり、高い統計的感度が確保された。
• 本実験は2008年の測定と比較して40倍以上の統計を取得し、感度が著しく向上した。
• 信号が観測されなかったことから、⁴He-η束縛状態の生産断面積の上限は、過去の結果と比較して約6倍低くなる見込みである。
• データ解析は継続中であるが、現在の結果は、本実験の感度レベルにおいて⁴He-η束縛状態が観測されなかったことと整合的である。