[论文解读] Strange Hadron Spectroscopy with Secondary KL Beam in Hall D

K Fanebust for the NA Collaboration, M. J. Amaryan+151 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2020

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 228被引用 16

一句话总结

本文提出在杰斐逊实验室霍尔D使用次级$K_L$束流研究奇异强子谱学，重点通过$K_L p \to \pi Y$和$K_L Y$反应研究五价子等新奇特态及共振态。高通量束流使超子极化、双奇异超核及稀有衰变如$K_L \to K^+ e^- \bar{\nu}_e$的精确测量成为可能，为量子色动力学、中子皮层及奇特强子态提供新见解。

ABSTRACT

We propose to create a secondary beam of neutral kaons in Hall D at Jefferson Lab to be used with the GlueX experimental setup for strange hadron spectroscopy. The superior CEBAF electron beam will enable a flux on the order of $1 imes 10^4~K_L/sec$, which exceeds the flux of that previously attained at SLAC by three orders of magnitude. The use of a deuteron target will provide first measurements ever with neutral kaons on neutrons. The experiment will measure both differential cross sections and self-analyzed polarizations of the produced $Λ$, $Σ$, $Ξ$, and $Ω$ hyperons using the GlueX detector at the Jefferson Lab Hall D. The measurements will span CM $\cosθ$ from $-0.95$ to 0.95 in the range W = 1490 MeV to 2500 MeV. The new data will significantly constrain the partial wave analyses and reduce model-dependent uncertainties in the extraction of the properties and pole positions of the strange hyperon resonances, and establish the orbitally excited multiplets in the spectra of the $Ξ$ and $Ω$ hyperons. Comparison with the corresponding multiplets in the spectra of the charm and bottom hyperons will provide insight into he accuracy of QCD-based calculations over a large range of masses. The proposed facility will have a defining impact in the strange meson sector through measurements of the final state $Kπ$ system up to 2 GeV invariant mass. This will allow the determination of pole positions and widths of all relevant $K^\ast(Kπ)$ $S$-,$P$-,$D$-,$F$-, and $G$-wave resonances, settle the question of the existence or nonexistence of scalar meson $κ/K_0^\ast(700)$ and improve the constrains on their pole parameters. Subsequently improving our knowledge of the low-lying scalar nonet in general.

研究动机与目标

• 利用杰斐逊实验室连续电子束加速器装置（CEBAF）产生的高强度次级$K_L$束流，在霍尔D研究奇异重子和介子的谱学。
• 搜索无法用三夸克模型描述的奇特强子态，包括五价子和双奇异超核。
• 以分支比$\sim 4 \times 10^{-9}$精确测量稀有$K_L$衰变$K_L \to K^+ e^- \bar{\nu}_e$，以检验标准模型。
• 通过$K_L$在复杂核上的散射形成超核束缚态，研究超子在核介质中的效应。
• 通过$K_L$散射测量重核的中子皮层厚度，为中子星结构和核力提供约束。

提出的方法

• 利用杰斐逊实验室连续电子束加速器装置（CEBAF）产生的高强度、动量可控的次级$K_L$束流。
• 使用霍尔D的大接受度探测器系统，对$K_L p \to \pi Y$和$K_L p \to K Y$反应进行唯一性测量。
• 利用自分析超子衰变重建反冲重子极化，实现双极化可观测量。
• 采用前向π介子标记与动量选择，识别产生低动量超子或超核态的事件。
• 设计专用探测器系统，实现对稀有$K_L$β衰变的足够探测效率，要求高束流稳定性和低本底。
• 利用理论模型和有效场论解释数据，尤其针对奇特态和核介质效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$K_L p$散射中产生的奇异重子和介子的谱学结构是什么？是否包含五价子等奇特态？
• RQ2 $K_L$束流能否为无法用三夸克模型描述的奇特重子态的存在与否提供证据？
• RQ3 稀有衰变$K_L \to K^+ e^- \bar{\nu}_e$的截面和分支比是多少？能否以足够灵敏度测量？
• RQ4 $K_L$在复杂核上的散射能否产生低动量超核束缚态？它们揭示了超子-核子相互作用的哪些信息？
• RQ5 $K_L$在重核上的散射如何约束中子皮层厚度及其对中子星结构和核力的影响？

主要发现

• 杰斐逊实验室霍尔D提出的$K_L$束流装置在200天运行时间内可产生约700个飞行中$K_L$β衰变事例，使分支比为$\sim 4 \times 10^{-9}$的稀有衰变$K_L \to K^+ e^- \bar{\nu}_e$得以测量。
• 高通量$K_L$束流使在激发超子谱学计划所需的亮度范围内，明确确定奇异夸克区中奇特强子态的存在或不存在成为可能。
• 前向π介子标记可识别超子以低相对动量产生的事件，促进超核束缚态的形成与研究。
• $K_L$在重核上的散射为中子皮层提供了一种新颖探针，系统误差可能小于其他方法，为中子星结构和冷却机制提供约束。
• $K_L$束流通过极化靶和自分析超子衰变实现双极化测量，为$K_L p \to K Y$反应提供三个独立可观测量。
• 该装置为通过$K^+$诱导反应研究双奇异超核提供了独特机会，可能首次在固定靶实验中观测到此类态。