[论文解读] Search for the He-η bound states with the WASA-at-COSY facility

M. Skurzok, W. Krzemień+1 more|Aug 29, 2012

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 17被引用 11

一句话总结

本研究利用德国于希施費爾德研究中心的WASA-at-COSY探测器，搜寻幽灵般的He-η束缚态——即η介子原子氦。通过在η介子产生阈值附近，以高统计量的束流斜坡扫描测量dd → ³He p π⁻和dd → ³He n π⁰反应的激发函数，实验旨在探测表明束缚态存在的共振结构；2008年数据中未观测到此类结构，而2010年数据的统计量提高了六倍，分析正在进行中，有望实现更严格的截面上限或实现发现。

ABSTRACT

The eta-mesic nuclei in which the η meson is bound with nucleus via strong interaction was postulated already in 1986, however till now no experiment confirmed empirically its existence. The discovery of this new kind of an exotic nuclear matter would be very important for better understanding of the η meson structure and its interaction with nucleons. The search for η-mesic helium is carried out with high statistic and high acceptance with the WASA-at-COSY detection setup in the Research Center Juelich. The search is conducted via the measurement of the excitation function for the chosen decay channels of the 4He-η system. Till now two reactions dd --> (4He-η)_bs --> 3Hepπ- and dd --> (4He-η)_bs --> 3 Henπ0 were measured with the beam momentum ramped around the eta production threshold. This report includes the description of experimental method and status of the analysis.

研究动机与目标

• 通过强相互作用实验证实η介子与⁴He原子核形成的假设束缚态η介子原子氦⁴He的存在。
• 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。
• 通过束流动量斜坡技术提高统计量并减小系统误差，以增强对η介子原子核的实验灵敏度。
• 设定⁴He-η束缚态产生截面的更严格上限，或在激发函数中观测到类似共振的信号。

提出的方法

• 利用COSY回旋加速器上的WASA-at-COSY探测装置，测量dd → (⁴He-η)₆₆ → ³He p π⁻和dd → (⁴He-η)₆₆ → ³He n π⁰反应的激发函数。
• 将氘束动量连续从2.127 GeV/c斜坡提升至2.422 GeV/c，覆盖过剩能量Q ∈ (-70, 30) MeV，以最小化系统误差。
• 在质心系中对质子和π⁻的动能以及p-π⁻张角施加运动学筛选，以分离束缚态的信号。
• 利用近弹性pp散射对激发函数数据点进行相对归一化。
• 基于二体反应dd → ³He n，估算平均亮度为L ≈ 1.5 × 10³¹ cm⁻²s⁻¹。
• 分析包括π⁰ → γγ的衰变链，以高效率识别³He n π⁰末态。

Figure 1: Reaction process of the ( ${}^{4}\mbox{He}$ - $\eta)_{bs}$ production and decay.

实验结果

研究问题

• RQ1 在dd → ³He p π⁻反应的激发函数中，η介子产生阈值附近是否出现类似共振的结构，表明⁴He-η束缚态的存在？
• RQ2 2010年数据的统计量是2008年运行的六倍，能否提高对⁴He-η束缚态的探测灵敏度，或设定更紧的其产生截面上限？
• RQ3 观测到的运动学特征——特别是N*(1525)静止系中p-π⁻的180°相对角度——是否与⁴He-η束缚态的衰变一致？
• RQ4 实验结果对η-核子散射长度实部施加了何种约束，特别是与束缚态形成的条件|Re(aₙₜₕᵤcₑ)| > |Im(aₙₜₕᵤcₑ)|的关系？
• RQ5 结果与η介子原子核的理论预测相比如何，特别是N*(1535)共振态和η介子味 singlet 组分的作用？

主要发现

• 在2008年数据中，dd → ³He p π⁻反应的激发函数中未观测到类似共振的结构，覆盖的过剩能量范围为-51.4 MeV至22 MeV。
• 2010年实验收集的统计量比2008年运行高出40倍以上，数据采集时间达155小时，平均亮度约为~1.5 × 10³¹ cm⁻²s⁻¹。
• 测量了两个衰变道：dd → (⁴He-η)₆₆ → ³He p π⁻和dd → (⁴He-η)₆₆ → ³He n π⁰ → ³He n γγ，显著提升了信号识别能力。
• 2010年数据的分析仍在进行中，有望观测到⁴He-η束缚态的信号，或将其产生截面的上限降低约六倍。
• 束流斜坡技术成功减小了系统误差，提高了激发函数测量的精度。
• 实验装置与分析策略旨在检验束缚态形成的理论条件：|Re(aₙₜₕᵤcₑ)| > |Im(aₙₜₕᵤcₑ)|，对η介子性质和核子相互作用具有重要意义。