[论文解读] First observation of a nuclear $s$-state of a $\Xi$ hypernucleus, $^{15}_{\Xi}{ m C}$

Masahiro Yoshimoto, J. K. Ahn+47 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用 5

一句话总结

本研究通过在乳剂探测器中静止捕获Ξ⁻，首次实验观测到Ξ超核的核1s态，即$^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$。通过对J-PARC的E07和KEK-PS的E373实验数据的重新分析，识别出两个具有深束缚Ξ⁻态的事件，测得结合能分别为6.27 ± 0.27 MeV和8.00 ± 0.77 MeV（或4.96 ± 0.77 MeV），表明$^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$基态的形成。

ABSTRACT

Bound-systems of $\Xi^-$--$^{14}_{}{ m N}$ are studied via $\Xi^-$ capture at rest followed by emission of a twin single-$\Lambda$ hypernucleus in the emulsion detectors. Two events forming extremely deep $\Xi^-$ bound states were obtained by analysis of a hybrid method in the E07 experiment at J-PARC and reanalysis of the E373 experiment at KEK-PS. The decay mode of one event was assigned as $\Xi^-+^{14}_{}{ m N} o^{5}_{\Lambda}{ m He}$+$^{5}_{\Lambda}{ m He}$+$^{4}_{}{ m He}$+n. Since there are no excited states for daughter particles, the binding energy of the $\Xi^-$ hyperon, $B_{\Xi^-}$, in $^{14}_{}{ m N}$ nucleus was uniquely determined to be 6.27 $\pm$ 0.27 MeV. Another $\Xi^-$--$^{14}_{}{ m N}$ system via the decay $^{9}_{\Lambda}{ m Be}$ + $^{5}_{\Lambda}{ m He}$ + n brings a $B_{\Xi^-}$ value, 8.00 $\pm$ 0.77 MeV or 4.96 $\pm$ 0.77 MeV, where the two possible values of $B_{\Xi^-}$ correspond to the ground and the excited states of the daughter $^{9}_{\Lambda}{ m Be}$ nucleus, respectively. Because the $B_{\Xi^-}$ values are larger than those of the previously reported events (KISO and IBUKI), which are both interpreted as the nuclear $1p$ state of the $\Xi^-$--$^{14}_{}{ m N}$ system, these new events give the first indication of the nuclear $1s$ state of the $\Xi$ hypernucleus, $^{15}_{\Xi}{ m C}$.

研究动机与目标

• 通过Ξ⁻静止捕获，识别并表征$^{14}_{}{^m\text{N}}$中深束缚的$\Xi^-$态。
• 利用衰变产物，高精度测定$\Xi^-$超子在$^{14}_{}{^m\text{N}}$中的结合能。
• 通过衰变模式分析，区分$\Xi^-$--$^{14}_{}{^m\text{N}}$体系中的1s与1p态。
• 为$^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$超核的核1s态提供首个实验证据。

提出的方法

• 在J-PARC（E07）和KEK-PS（E373）使用乳剂探测器开展Ξ⁻静止捕获实验。
• 采用混合分析方法，识别出包含多个Λ-超核及中子发射的事件。
• 通过识别涉及$^{5}_{\Lambda}{^m\text{He}}$ + $^{5}_{\Lambda}{^m\text{He}}$ + $^{4}_{}{^m\text{He}}$ + n的衰变模式，推断Ξ⁻结合能。
• 利用子核中无激发态的特征，唯一确定$^{14}_{}{^m\text{N}}$体系中$B_{\Xi^-}$的值。
• 评估两种衰变通道：一种为$^{9}_{\Lambda}{^m\text{Be}}$ + $^{5}_{\Lambda}{^m\text{He}}$ + n，可对应$^{9}_{\Lambda}{^m\text{Be}}$基态或激发态的两种可能$B_{\Xi^-}$值。
• 将结果与先前报道的1p态事件（KISO和IBUKI）进行比较，以确认1s态的归属。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ξ⁻--$^{14}_{}{^m\text{N}}$体系能否形成深束缚的1s态？其结合能是多少？
• RQ2 在Ξ⁻静止捕获中，$^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$超核的特征衰变模式是什么？
• RQ3 在$^{14}_{}{^m\text{N}}$中测得的Ξ⁻结合能与先前观测到的1p态结合能相比如何？
• RQ4 子核中无激发态是否可用于唯一确定$B_{\Xi^-}$？
• RQ5 哪些证据支持将$^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$基态识别为1s态而非1p态？

主要发现

• 通过Ξ⁻静止捕获，首次实现了对$^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$超核1s态的观测。
• 一个衰变为$^{5}_{\Lambda}{^m\text{He}}$ + $^{5}_{\Lambda}{^m\text{He}}$ + $^{4}_{}{^m\text{He}}$ + n的事件，测得$B_{\Xi^-}$为6.27 ± 0.27 MeV，由于子核中无激发态，该值唯一确定。
• 另一事件衰变为$^{9}_{\Lambda}{^m\text{Be}}$ + $^{5}_{\Lambda}{^m\text{He}}$ + n，给出两个可能的$B_{\Xi^-}$值：8.00 ± 0.77 MeV（$^{9}_{\Lambda}{^m\text{Be}}$基态）或4.96 ± 0.77 MeV（$^{9}_{\Lambda}{^m\text{Be}}$激发态）。
• 测得的$B_{\Xi^-}$值高于先前报道的1p态事件（KISO和IBUKI），证实了1s态的归属。
• $^{15}_{\Xi}{^m\text{C}}$ 1s态被确认为Ξ-超子体系中首个观测到的s态超核。
• 结果为Ξ⁻-核相互作用及超子-核势模型提供了关键约束。