[论文解读] A Search for the LHCb Charmed 'Pentaquark' using Photo-Production of $J/ψ$ at Threshold in Hall C at Jefferson Lab

Z.-E. Meziani, S. Joosten+57 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 26

一句话总结

该论文提出通过在杰斐逊实验室霍尔C利用液体氢靶上的轫致辐射光子束，对LHCb观测到的粲五价子态$P_c(4380)$和$P_c(4450)$进行高精度阈值光致产${J/\psi}$的搜索。实验旨在通过高动量谱仪探测$J/\psi \to e^+e^-$衰变，确认其共振性质，对$J/\psi p$道道的耦合常数灵敏度超过5σ，低至1.3%，对5%耦合的预期发现灵敏度超过20σ。

ABSTRACT

We propose to measure the photo-production cross section of $J/ψ$ near threshold, in search of the recently observed LHCb hidden-charm resonances $P_c$(4380) and $P_c$(4450) consistent with 'pentaquarks'. The observation of these resonances in photo-production will provide strong evidence of the true resonance nature of the LHCb states, distinguishing them from kinematic enhancements. A bremsstrahlung photon beam produced with an 11 GeV electron beam at CEBAF covers the energy range of $J/ψ$ production from the threshold photo-production energy of 8.2 GeV, to an energy beyond the presumed $P_c$(4450) resonance. The experiment will be carried out in Hall C at Jefferson Lab using a 50μA electron beam incident on a 9% copper radiator. The resulting photon beam passes through a 15 cm liquid hydrogen target, producing $J/ψ$ mesons through a diffractive process in the $t$-channel, or through a resonant process in the $s$- and $u$-channel. The decay $e^+e^-$ pair of the $J/ψ$ will be detected in coincidence using the two high-momentum spectrometers of Hall C. The spectrometer settings have been optimized to distinguish the resonant $s$- and $u$-channel production from the diffractive $t$-channel $J/ψ$ production. The $s$- and $u$-channel production of the charmed 5-quark resonance dominates the $t$-distribution at large $t$. The momentum and angular resolution of the spectrometers is sufficient to observe a clear resonance enhancement in the total cross section and $t$-distribution. We request a total of 11 days of beam time with 9 days to carry the main experiment and 2 days to acquire the needed $t$-channel elastic $J/ψ$ production data for a calibration measurement. This calibration measurement in itself will greatly enhance our knowledge of $t$-channel elastic $J/ψ$ production near threshold.

研究动机与目标

• 通过在阈值附近探测光致产${J/\psi}$，确认LHCb观测到的隐藏粲五价子态$P_c(4380)$和$P_c(4450)$的共振性质。
• 将真正的$s$-和$u$-通道$J/\psi p$共振产${J/\psi}$与动量空间增强或$t$-通道弹性散射过程区分开来。
• 测量$J/\psi$光致产${J/\psi}$的$t$-分布和总截面，以识别共振增强特征。
• 提供关键数据，以解决关于LHCb态是否为真实五价子还是动量空间效应的理论争议。
• 校准阈值附近的$t$-通道弹性$J/\psi$产${J/\psi}$，显著提升该能量区间的全球数据。

提出的方法

• 利用CEBAF的11 GeV电子束产生覆盖8.2–10.5 GeV的轫致辐射光子束，匹配$J/\psi$产${J/\psi}$阈值及更高能量。
• 将光子束引导通过15 cm液体氢靶，通过$s$-、$u$-和$t$-通道过程诱导$\gamma p \to J/\psi p$。
• 使用霍尔C中的两台高动量谱仪，以符合方式探测$J/\psi \to e^+e^-$衰变产物，该设置针对动量和角度分辨率进行了优化。
• 采用谱仪设置#1和#2，以最大化接受度并区分$s$/$u$-通道共振产${J/\psi}$与$t$-通道弹性散射背景。
• 采用分箱对数似然分析并应用Wilk定理评估灵敏度，以5%耦合为基准，对$t$-通道截面和$P_c$共振贡献进行建模。
• 在设置#1进行9天主数据采集，在设置#2进行2天校准，包括对轻子产${J/\psi}$和偶然符合的控制测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHCb观测到的$P_c(4450)$和$P_c(4380)$态能否通过阈值附近的光致产${J/\psi}$被确认为真正的共振态？
• RQ2 该实验对$P_c$共振态在$J/\psi p$末态中不同耦合常数的灵敏度如何？
• RQ3 $J/\psi$产${J/\psi}$的$t$-分布能否区分$s$/$u$-通道共振产${J/\psi}$与$t$-通道弹性散射过程？
• RQ4 阈值附近测量的$J/\psi$光致产${J/\psi}$截面与现有全球数据和理论模型相比如何？
• RQ5 该实验在多大程度上能排除LHCb信号源于动量空间增强而非真实共振态的可能性？

主要发现

• 实验对$J/\psi p$道道中耦合常数低至1.3%的$P_c$共振态实现>5σ灵敏度，可探测弱耦合态。
• 对于5%耦合，灵敏度超过20σ，表明具有极强的统计能力以确认或排除$P_c$假说。
• 1.3%耦合的预期$E_\gamma$谱显示，在$t$-通道背景之上存在明显的共振增强，尤其在$t$-分布中表现显著。
• 对$t$-通道$J/\psi$产${J/\psi}$的校准测量将显著提升阈值区域的全球数据，对CLAS12和SoLID计划具有直接影响。
• 分析表明，5%的耦合与现有$J/\psi$光致产${J/\psi}$数据和理论估算一致，支持其作为基准的合理性。
• 该实验有望首次通过光致产${J/\psi}$提供$P_c$态的直接证据，解决其共振性质长期存在的模糊性。