[论文解读] Study of a possibility of observation of hidden-bottom pentaquark resonances in bottomonium photoproduction on protons and nuclei near threshold

E. Ya. Paryev|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

Nuclear physics research studies被引用 5

一句话总结

该论文提出，通过在未来电子-离子对撞机（EIC/EicC）上在阈值附近高精度测量质子和原子核上的 $\Upsilon(1S)$ 介子光致产生，可探测到隐藏底五价子共振态 $P_b^+(11080)$、$P_b^+(11125)$ 和 $P_b^+(11130)$。采用两步反应机制并结合原子核谱函数，预测在特定光子能量下横截面出现明显增强，从而可实现对这些奇特态的明确探测及分支比测量。

ABSTRACT

We study the $\\Upsilon(1S)$ meson photoproduction on protons and nuclei at the near-threshold center-of-mass energies below 11.4 GeV (or at the corresponding photon laboratory energies $E_{\\gamma}$ below 68.8 GeV). We calculate the absolute excitation functions for the non-resonant and resonant photoproduction of $\\Upsilon(1S)$ mesons off protons at incident photon laboratory energies of 63--68 GeV by accounting for direct (${\\gamma}p \ o {\\Upsilon(1S)}p$) and two-step (${\\gamma}p \ o P^+_b(11080,11125,11130) \ o {\\Upsilon(1S)}p$) $\\Upsilon(1S)$ production channels within different scenarios for the non-resonant total cross section of elementary reaction ${\\gamma}p \ o {\\Upsilon(1S)}p$ and for branching ratios of the decays $P^+_b(11080,11125,11130) \ o {\\Upsilon(1S)}p$. We also calculate an analogous functions for photoproduction of $\\Upsilon(1S)$ mesons on $^{12}$C and $^{208}$Pb target nuclei in the near-threshold center-of-mass beam energy region of 9.0--11.4 GeV by considering respective incoherent direct (${\\gamma}N \ o {\\Upsilon(1S)}N$) and two-step (${\\gamma}p \ o P^+_b(11080,11125,11130) \ o {\\Upsilon(1S)}p$, ${\\gamma}n \ o P^0_b(11080,11125,11130) \ o {\\Upsilon(1S)}n$) $\\Upsilon(1S)$ production processes within a nuclear spectral function approach. We show that a detailed scan of the $\\Upsilon(1S)$ total photoproduction cross section on a proton and nuclear targets in the near-threshold energy region in future high-precision experiments at the proposed high-luminosity electron-ion colliders EIC and EicC in the U.S. and China should give a definite result for or against the existence of the non-strange hidden-bottom pentaquark states $P_{bi}^+$ and $P_{bi}^0$ ($i=$1, 2, 3) as well as clarify their decay rates.

研究动机与目标

• 研究在阈值附近通过 $\Upsilon(1S)$ 光致产生探测非奇异隐藏底五价子态 $P_b^{+}(11080, 11125, 11130)$ 和 $P_b^{0}(11080, 11125, 11130)$ 的可行性。
• 评估未来EIC和EicC的高精度实验是否能明确证实或排除这些五价子的存在。
• 确定 $\Upsilon(1S)$ 激发函数对 $P_b^+ \to \Upsilon(1S)p$ 和 $P_b^0 \to \Upsilon(1S)n$ 衰变分支比的敏感性。
• 探讨原子核谱函数在 $^{12}$C 和 $^{208}$Pb 靶上光致产生中增强共振信号的作用。

提出的方法

• 利用直接反应机制和两步反应机制，计算 $\gamma p \to \Upsilon(1S)p$ 和 $\gamma N \to \Upsilon(1S)N$ 的绝对激发函数。
• 将两步过程建模为 $\gamma p \to P_b^+ \to \Upsilon(1S)p$ 和 $\gamma n \to P_b^0 \to \Upsilon(1S)n$，其中 $P_b^+$ 和 $P_b^0$ 作为中间共振态。
• 采用原子核谱函数方法，考虑末态相互作用及在原子核靶上的非相干光致产生。
• 考虑非共振 $\gamma p \to \Upsilon(1S)p$ 横截面的多种情景，以及 $P_b^+ \to \Upsilon(1S)p$ 衰变分支比的变化。
• 在近阈值区域（63–68 GeV 光子能量）进行能量扫描，以识别共振信号。
• 将质子靶的结果与 $^{12}$C 和 $^{208}$Pb 的结果进行比较，评估核增强效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过在阈值附近对质子进行 $\Upsilon(1S)$ 光致产生探测到 $P_b^+(11080)$、$P_b^+(11125)$ 和 $P_b^+(11130)$ 五价子态？
• RQ2 $P_b^+ \to \Upsilon(1S)p$ 和 $P_b^0 \to \Upsilon(1S)n$ 衰变的分支比如何影响 $\Upsilon(1S)$ 光致产生中可观测横截面结构？
• RQ3 与自由质子相比，$^{12}$C 和 $^{208}$Pb 等原子核靶在多大程度上增强隐藏底五价子的信号？
• RQ4 在原子核靶上联合激发函数是否能比在自由核子上更准确地确定五价子衰变分支比？

主要发现

• $P_b^+(11080)$ 态在质子上的总 $\Upsilon(1S)$ 光致产生横截面中，在 $E_\gamma = 64.95$ GeV 处产生一个清晰且狭窄的峰。
• $P_b^+(11125)$ 和 $P_b^+(11130)$ 态因质量差为60 MeV，共振态重叠，合并成一个位于 $E_\gamma \approx 65.50$ GeV 附近的宽峰。
• 当分支比 $Br[P_b^+ \to \Upsilon(1S)p]$ 分别为2% 和 10% 时，峰值横截面达到数十至数百皮靶。
• 原子核靶在阈值上下均增强 $\Upsilon(1S)$ 产生横截面，增强程度强烈依赖于五价子衰变分支比。
• 当分支比超过5–10%时，$^{208}$Pb 上的共振横截面可达1–10 nb，使EIC/EicC能够实现高统计量测量。
• 与自由质子相比，原子核靶上的测量预计可获得显著更高的统计量，从而实现对五价子衰变分支比更精确的测定。