[论文解读] Search for Hidden-Charm Pentaquark with CLAS12

V. Kubarovsky, M.B. Voloshin|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文提出通过杰弗逊实验室CLAS12探测器中的$\gamma p \to P_c \to J/\psi p$光致反应，搜索隐藏底味五价子$P_c(4380)$和$P_c(4450)$。利用向量主导模型和布雷特-惠泽共振模型，估算当分支比$Br(P_c \to J/\psi p)$为1%–10%时，截面可达数十纳靶，每天可探测到24–1100个事例，从而证实其共振性质并排除动量空间奇点的解释。

ABSTRACT

LHCb recently announced the discovery of two exotic structures in the $J/ψ+ p$ decay channel, which have been referred to as charmonium-pentaquark states. Resolving between the models and clarifying the nature of the discovered hidden-charm pentaquark peaks, and possibly searching for similar peaks with other quantum numbers, requires further experimental studies. The states were observed in the decay mode $J/ψ+p$. Thus, it is natural to expect that these pentaquarks can be produced in the photoproduction process $γ+p o P_c o J/ψ+p$ where these states will appear as s-channel resonances at photon energy around 10 GeV. The energy and luminosity of the CLAS12 photon beam permit the detailed studies of the production and decay properties of the pentaquark resonances. By this reason the pentaquark search at Jefferson Laboratory looks extremely attractive.

研究动机与目标

• 研究在CLAS12上通过$\gamma p \to P_c \to J/\psi p$反应探测隐藏底味五价子$P_c(4380)$和$P_c(4450)$的可行性。
• 在CLAS12的亮度和探测器接受度的实际条件下，估算光致反应截面和可观测事例率。
• 通过探测$J/\psi p\pi$和$J/\psi p\pi\pi$等衰变模式，区分五价子结构的理论模型（如重子-粲偶素、分子态或$\chi_{c1}p$复合态）。
• 通过在$\gamma p$散射中观测这些态，检验$\Lambda_b^0 \to K^- P_c^+$衰变中观测到的$P_c$峰是否为真实共振态，而非$\Lambda_b^0$衰变中的动量空间奇点。

提出的方法

• 使用布雷特-惠泽共振公式建模光致反应截面，其中$\sigma \propto Br^2(P_c \to J/\psi p)$，并假设$\gamma \to J/\psi$耦合满足向量主导模型。
• 计算质心系动量$k \approx 2.1$ GeV，并利用CLAS12在$E_\gamma \sim 10$ GeV时的光子亮度$dL_\gamma/dW = 10^{30}$ 事件/cm²/MeV/s。
• 通过$N(P_c) = \int \sigma(W) \frac{dL_\gamma}{dW} \epsilon \, dW \cdot Br(J/\psi \to e^+e^-)$估算总事例数，其中$\epsilon = 0.1$，$Br(J/\psi \to e^+e^-) = 6\%$。
• 在部分波配置（下限与上限）下，对$P_c(4380)$和$P_c(4450)$估算截面，以$Br(P_c \to J/\psi p) = 1\%$为基准。
• 评估对$J/\psi p\pi$和$J/\psi p\pi\pi$衰变模式的灵敏度，以区分重子-粲偶素与分子态五价子模型。
• 利用$\gamma p$截面作为探针，排除$P_c$峰在$\Lambda_b^0$衰变中为偶然奇点的解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在CLAS12的$\gamma p \to P_c \to J/\psi p$光致反应中观测到$P_c(4380)$和$P_c(4450)$五价子？
• RQ2 在CLAS12的亮度和探测器接受度条件下，这些五价子的预期事例率是多少？
• RQ3 观测到的$J/\psi p\pi$和$J/\psi p\pi\pi$衰变模式是否更支持重子-粲偶素结构而非分子态结构？
• RQ4 光致反应数据能否证实$P_c$态的共振性质并排除动量空间奇点的解释？
• RQ5 检测这些态所需截面值是多少？这些值在CLAS12上是否可实现？

主要发现

• 若$Br(P_c \to J/\psi p) \sim 1\text{--}10\%$，$\gamma p \to P_c \to J/\psi p$的峰值光致反应截面可达到数十纳靶，表明在CLAS12上探测可行。
• 当$Br(P_c \to J/\psi p) = 1\%$时，CLAS12预计每天可探测到$P_c(4380)$的24至750个事例，$P_c(4450)$的35至1100个事例。
• 即使存在背景贡献，估算的事例数仍具鲁棒性，因为弹性$J/\psi$光致反应截面仅为0.1 nb，使得$P_c$信号可清晰分辨。
• 若在$\gamma p$散射中观测到$P_c$峰，将证实其共振性质，并排除其为$\Lambda_b^0$衰变中动量空间奇点的解释。
• 若$P_c$态为重子-粲偶素结构，则预期$J/\psi p\pi$和$J/\psi p\pi\pi$衰变模式将显著，这将不利于分子态或$\chi_{c1}p$复合态模型。
• 通过部分波分析得出的理论截面边界显示，其值随轨道波的不同而显著变化，其中上限配置产生更高的事例率。