[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究利用WASA-at-COSY装置的高统计量、高接受度测量，搜索η介子与⁴He原子核的束缚态。通过在束流动量从2.127至2.422 GeV/c范围内扫描，测量dd → ³He p π⁻和dd → ³He n π⁰衰变道的激发函数，未观测到与⁴He-η束缚态一致的共振结构，从而将产生截面的上限设定为此前测量结果的约六分之一。

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.

研究动机与目标

• 通过实验确认η-介子束缚态⁴He核的存在，其中η介子通过强相互作用与⁴He结合。
• 研究η-核子相互作用的性质及其对N*(1535)共振态和η介子的味 singlet 组分的影响。
• 通过实现高统计量和高探测器接受度，提高对弱束缚η-介子态的探测灵敏度。
• 通过束流动量连续扫描，减少系统误差，实现在阈值附近的精确激发函数测量。
• 若未观测到信号，则对⁴He-η束缚态的产生截面设定严格上限。

提出的方法

• 实验利用COSY加速器上的WASA探测器，测量氘-氘碰撞的末态完全事例。
• 束流动量从2.127至2.422 GeV/c连续扫描，覆盖从-70 MeV到+30 MeV的过量能量，穿过η介子产生的阈值（2.336 GeV/c）。
• 测量了两个衰变道：dd → (⁴He-η)_{bs} → ³He p π⁻ 和 dd → (⁴He-η)_{bs} → ³He n π⁰ → ³He n γγ。
• 利用AV18势模型模拟探测器接受度，该模型描述了⁴He中核子的动量分布，两个道的平均接受度分别为~53%和~50%。
• 通过拟合二阶多项式加Breit-Wigner函数，对激发函数进行归一化并搜索共振结构。
• 分析中考虑了探测器效率，以及质子和π⁻在质心系中的动能和p-π⁻出射角的运动学选择。

实验结果

研究问题

• RQ1 在dd碰撞中，⁴He-η系统是否在η介子产生阈值以下表现出束缚态共振？
• RQ2 ³He p π⁻和³He n π⁰末态的激发函数是否能揭示指示η-介子⁴He核存在的窄共振结构？
• RQ3 在收集的高统计量数据下，⁴He-η束缚态的产生截面上限是多少？
• RQ4 模拟的探测器接受度和运动学选择如何影响对弱束缚态的探测灵敏度？
• RQ5 未观测到共振结构是否与理论预测一致，即η-⁴He散射长度的实部|Re(a)|大于虚部|Im(a)|？

主要发现

• 在dd → ³He p π⁻反应的激发函数中未观测到共振结构，表明无⁴He-η束缚态存在的证据。
• 测量的激发函数在η介子产生阈值以下无增强，排除了显著束缚态信号的可能性。
• ³He p π⁻道的平均探测器接受度约为53%，³He n π⁰道约为50%，确保了高统计灵敏度。
• 实验收集的数据量超过2008年测量的40倍，显著提升了探测灵敏度。
• 在无信号的情况下，⁴He-η束缚态的产生截面上限预计比先前结果降低约六倍。
• 数据处理仍在进行中，但当前结果与本实验灵敏度水平下未观测到⁴He-η束缚态的结论一致。