Поиск криптоэкзотического члена антидекуплета пентакварков

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Открытие θ +
Знаменательное событие последних лет в физике элементарных частиц - наблюдение экзотического бариона с положительной странностью θ+
В кварковых моделях этот барион должен состоять минимум из 5 кварков - ⇒ пентакварк.
Особенность: масса 1540 МэВ и узкая ширина <15 МэВ были предсказаны до экспериментального наблюдения.
Приятно, что ИТЭФ получил одно из первых подтверждений этой частицы.
Ожидаемые последствия этого «потенциального открытия» очень серьезны:
прогресс в понимании динамики сильного взаимодействия;
новая теоретическая барионная спектроскопия;
новая экспериментальная барионная спектроскопия ультравысокого разрешения ⇒ значительный подъем теоретической и экспериментальной активности на этом поле: много экспериментальных работ на существующем материале с больших установок, предложения новых специальных экспериментов, например на нуклотроне в Дубне.

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Свойства θ +
Что такое θ+, каковы квантовые числа?
Наиболее популярная модель: принадлежность к экзотическому пентакварковому антидекуплету со спин/четностью 1/2+
Подтверждена наблюдением Ξ-(1860) и Ξ0(1860)
Таблица данных о θ+ и Ξ(1860)
Нужно найти недостающие члены этого декуплета. Поиск
(1650) это и есть цель нашего предложения.

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Сведения о
Парциально-волновой анализ упругого π-p→π-p рассеяния. Группа GWU - Arndt et al.
В P11-волну вносился резонанс с варьируемыми m, Г, Гel. Сравнивалось χ2 описания данных с учетом и без учета резонанса. В двух областях вблизи 1690 и вблизи 1730 МэВ обнаружено уменьшение χ2 при включении резонанса Гel<0.5 МэВ, Г<30 МэВ. Здесь резонанс или два узких резонанса могут присутствовать.
Совсем новая работа из BNL (STAR Collaboration)
Система KS0Λ, инвариантная масса 1734, ширина Г≤4.6±2.4 МэВ, статистическая значимость S/√B=5.15, для полупериферических событий S/√B=19/√10.6=5.93
Интерпретация авторов:
член антидекуплета 1/2+
член октета 1/2+ со странностью -2, содержащего Ропер-резонанс
член нового октета пентакварков 1/2+ N0(1710)
член 27-плета со спин/четностью 3/2+, возникающего в результате нарушения SU(3)-симметрии в первом порядке.
N0

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Наше предложение
Очевидный недостаток этих экспериментальных данных – отсутствие информации о квантовых числах резонанса (например, странность равна 0 или -2)
Мы предлагаем искать в экспериментах «FORMATION» типа, т.е. В прямом канале реакций:
π-p→π-p и π-p→KS0Λ.
Тогда странность равна 0, а квантовые числа обнаруженной нерегулярности могут быть найдены стандартными средствами ПВА анализа.
Масса резонанса и разрешение по массе определяются величиной начального импульса и его разбросом.
Область поисков необходимо ограничить с самого начала
Квантовые числа 1/2+ или 3/2+
Диапазон масс 1600 - 1750 МэВ
Ширина Г<30 МэВ, достижимый минимум Г определяется экспериментальным разрешением по импульсу пучка (1-2) МэВ/c
Ожидается низкая упругость, т.е. Гel/Г резонанса ⇒ необходима высокая чувствительность эксперимента. Теоретические оценки Гel=2 МэВ, ГKΛ=1 МэВ, Г=(10-15) МэВ.

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Немного формализма
Разложение амплитуды упругого рассеяния по парциальным волнам:
δl - фаза l-волны, ηl - упругость l-волны.
Парциальная амплитуда:
вблизи резонанса можно записать fl(E)=flB+flr(E), где flB слабо зависит от энергии. Парциальное сечение σl=4π(2l+1)|flB+flr|2
BW-резонанс:
Упругое
- упругость
Реакция πp→KΛ
- бренчинг

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Дж. Тейлор. Теория рассеяния
Что будет наблюдаться в упругом сечении и сечении реакции?
Не обязательно пик - могут быть нерегулярности другого типа.

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Чувствительность
Вклад резонанса в P11-волне в сечение в его максимуме при mr=1.7 ГэВ/c
Упругое
X=0.05
σelr=0.12 mb, σel≈10 mb
σelr /σel=1.2%
⇒ чувствительность очень мала
Реакция (k=0.56 ГэВ/c, kKΛ=0.2 ГэВ/c)
X=0.01, BR=0.1
σKΛr=0.13 mb, σKΛ=0.9 mb
σKΛr /σ KΛ =15%
⇒ превосходная чувствительность
Измерение полного сечения реакции ⇒ хороший способ.
Измерение полного упругого сечения ⇒ плохой способ.
Следовательно, в упругом рассеянии надо измерять дифференциальное сечение. В этом случае резонансный эффект будет определяться интерференцией P11-амплитуды со всеми другими участвующими волнами, т.е. зависеть от X, а не от X2. Можно выбрать такие угловые интервалы, где чувствительность к P11-волне велика. Существующие ПВА позволяют получить оценку чувствительности. В избранном нами угловом интервале резонанс будет проявляться как

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Ожидаемые результаты
Надежно перекрываемый интервал параметров резонанса:
Перекрываем ожидаемые экспериментально и теоретически параметры.
Важное замечание
Отбор событий в планируемой установке основан на использовании угловых корреляций и геометрии событий. Поэтому предельно важно иметь минимальное многократное рассеяние на пути всех участвующих частиц ⇒ легкие камеры из материалов с большой радиационной длиной – залог успеха эксперимента.

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Проект ЭПЕКУР (и Р)
Эксперимент по поиску ПЕнтаКварка в Упругом Рассеянии (и Реакции π–p→KS0Λ)
Если бы исчезающее погибало, [переходя] в несуществующее, то все вещи были бы уже погибшими…
Эпикур (341--270 до н.э.), из «Письма к Геродоту»
Ложь и ошибка всегда лежат в прибавлениях, делаемых мыслью
[к чувственному восприятию] относительно того, [что ожидает] подтверждения или неопровержения, но что потом не подтверждается [или опровергается].
Там же, <по поводу пентакварка увиденного на STARe > (Прим. ред.)
Куй железо не отходя от кассы
М. Слободской, Я. Костюковский, Л. Гайдай, «Бриллиантовая рука»

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Чувствительность в упругом канале
Парциальная
амплитуда :
В предположении
Изменение упругости η
в резонансе :
Изменение фазы δ
в резонансе :
Δη/2
Δ2δ
Re fl
Im fl
Диаграмма Аргана для амплитуды fl

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Чувствительность в упругом канале
Чувствительность дифференциального сечения к Δη (P11) ≈1.5, т.е. при
ГEL/Г ≈ 5% изменение сечения составит 7--15%
Чувствительность к Δδ (P11) ≈ 0.2, т.е. каким бы ни было изменение фазы в резонансе, его влияние на сечение мало

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Экспериментальные условия
Дифференциальное сечение π–p→π–p
0.2 мБ/ср
Величина сечения, на которую производился расчет статистики -- 0.2 мБ/ср
Зависимость сечения от импульса плавная по сравнению с размером ожидаемой структуры в несколько МэВ/с

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Ожидаемый эффект
Дифференциальное сечение π–p→π–p
Существующие экспериментальные данные не позволяют выделить узкую структуру
Предлагается измерить со статистической точностью 0.5% и шагом по массе 0.5 МэВ в диапазоне углов 40--120о с.ц.м. и в диапазоне импульсов 900--1200 МэВ/с (MR=1610--1770 МэВ)
При фиксированной настройке импульса пучка можно охватить интервал шириной 20 МэВ по массе, затем смещать импульс шагами по 10 МэВ
0.2 мБ/ср
6

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Экспериментальная установка
Пионный пучок ускорителя У-10 ИТЭФ с большим углом поворота (321, 313 или 211), нитевая или сепараторная мишень в кольце
«Импульсный» годоскоп H1 в первом фокусе пучка, разрешение по импульсу пучка ±0.1%, полная ширина ±2%
Жидководородная мишень толщиной 25 см (В.В.Куликов) или 16 см (ПИЯФ)
Пучковые пропорциональные или дрейфовые камеры DC1, DC2 для трекинга налетающих пионов
Система дрейфовых камер DC3--DC6 для регистрации рассеянных частиц
Система триггерных сцинтилляционных счетчиков H2, H3 с возможностью измерения времени пролета (идентификация протона отдачи)
Измерение полей поворотных магнитов с точностью лучше 0.1% (ЯМР)
π–p→π–p

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Требования к установкам
Перекрытие интервала инвариантных масс 1610--1770 МэВ с разрешением ≤1 МэВ
Статистическая обеспеченность результата, достаточная для регистрации резонанса с упругостью ≤5% и относительным бранчингом ≤10% для KΛ распада:
Пионный пучок ≥200 тыс. за сброс
Большой аксептанс установки (захват 1.7 ср для π–p→π–p)
Водородная мишень большой толщины
Долговременная стабильность аппаратуры (с точностью ~1%)
Высокая приборная эффективность (≥99%)
Измерение полей поворотных магнитов + TOF контроль импульса пучка
Возможность внутреннего контроля результатов (crosscheck) ⇒ симметричная установка, измерения в областях низкой чувствительности
Надежное выделение искомой реакции и подавление фона посторонних процессов
Высокая координатная точность трековых детекторов (не хуже 0.15 мм)
Минимальное количество вещества на пути как первичных, так и вторичных частиц (потери энергии и многократное рассеяние)
Основной элемент трековой системы -- дрейфовые камеры
с проволочными потенциальными плоскостями,
размер рабочей зоны 800х1200 мм2, расстояние дрейфа 10 мм,
3 или 6 плоскостей в блоке (X-, Y- и стереоплоскость)

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Реакция π –p→K0Λ
Преимущества реакции - чрезвычайная привлекательность для поиска
Чистое изотопическое состояние 1/2
Заметный порог рождения KΛ, облегчающий изучение резонансов с небольшим спином и большой массой, высокая чувствительность сечения к резонансам
Большое полное сечение (~0.9 мБарн) в рассматриваем интервале энергий.
Доля заряженной моды составляет 22% от полного сечения процесса
Более низкий порог рождения K0Λ, чем в конкурирующем процессе c K0Σ0
Высокая анализирующая способность Λ→π–p, асимметрия слабого распада α=0.642 ⇒ можно измерять нормальную поляризацию P в том же эксперименте
Специфика кинематики реакции
Необходимо регистрировать 4 заряженные частицы в конечном состоянии (K0→π+π–, Λ→π–p).
В большинстве случаев реакции протон и пион от распада Λ вылетают в переднюю полусферу, однако углы вылета пиона могут быть большими относительно импульса падающей частицы
Пионы от распада K0 имеют длинные хвосты угловых распределений в область углов вбок и назад.
Идентификация единственного протона существенно необходима для выделения реакции и подавления фона других неупругих реакций

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Установка для π –p→K0Λ
Расширение установки для поиска в упругом рассеянии.
Та же пучковая часть и мишень
Те же базовые трековые камеры DC1--DC6 800x1200 мм2
Необходимость почти «герметичной» установки для достижения «разумного» аксептанса 20-30%
Внутренние камеры DC7--DC11 (500х700 мм2) и широкоформатная
DC12 (1400х2000 мм2)
Двухкоординатный триггерный и времяпролетный годоскоп H2, необходимая гранулярность 100х100 мм2 (в центральной области 1000х1000 мм2)
Возможна оптимизация количества и расположения детекторов. Так, удаление DC3 и DC9 уменьшает аксептанс на 15%
DC1
DC2
DC3
DC4
DC7
DC8
DC9
DC12
H2
Основные типы событий:
4 частицы вперед
протон и 2 пиона вперед, один пион вбок или вверх (вниз).

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Предварительное моделирование
Возможна эффективная регистрация π–p→K0SΛ при −1< cosθСМ < +1 на одной и той же установке без изменения ее геометрии в исследуемом энергетическом диапазоне.
Имеется существенное различие в кинематике вторичных частиц для реакций с рождением K0Λ и K0Σ0 и (Σ0→Λγ→π−pγ), что позволяет эффективно использовать вероятностные методы оценки гипотез и разделения событий.
Ограниченное пространственное и угловое распределение вторичных протонов
(в направлении вперед) и их импульсный диапазон позволит эффективно отделять их от почти релятивистских пионов, используя времяпролетную методику.
Протон
Пион от распада Λ
Пионы от распада K0
Угловые распределения
вторичных частиц
Разделение протонов и пионов
по времени пролета
В.В. Рыльцов, PRELIMINARY

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Время набора статистики
Упругое π–p→π–p рассеяние
2 угловых интервала в области чувствительности (всего -- 4-5), 285 импульсных интервалов по 1 МэВ/с (0.56 МэВ по массе в диапазоне (1610–1770) МэВ)
статистическая точность 0.5%, 10σ для эффекта 5%
⇒ Необходимая статистика 4⋅104×570 ≈ 23⋅106
дифференциальное сечение 0.2 мБарн/ср, телесный угол захвата установки 1.7 ср
толщина мишени 0.071 г/см3 × 25 см = 1.78 г/см2
интенсивность пучка 50⋅103 с–1 (200⋅103 за цикл У-10, 15 ц/мин),
эффективность (ускоритель + установка) 0.7
⇒ Скорость счета упругих событий 18.7 с–1 или 75 за цикл ускорителя.
⇒ Время набора: 23⋅106/(18.7×0.7)=1.75⋅106 с или 20 суток, т.е. 2 10-дневных сеанса.
В случае обнаружения узкого резонансного эффекта потребуется еще один сеанс такой же продолжительности для получения подробной угловой зависимости сечения для определения квантовых чисел резонанса.
Реакция π–p→KΛ
статистическая точность 1%, 10σ для эффекта 10% в таком же количестве импульсных интервалов
⇒ Необходимая статистика (160/0.56)×104 ≈ 2.9⋅106
полное сечение реакции 0.9 мБарн, доля заряженной моды 22%
аксептанс для событий распадов в заряженной моде 20%
⇒ Скорость счета 125 тыс. событий π–p→KΛ в сутки
⇒ Время набора: 23 дня или 2 двенадцатидневных сеанса

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Трехлетний план
Пятилетку -- в три года !!!

Vadim Kanavets (ITEP) for pp2pp
Заключение
Мировое научное сообщество проявляет большой интерес к недавно открытым экзотическим частицам.
В результате, многочисленные теоретические модели получили мощный толчок для развития, требуя экспериментального подтверждения или опровержения.
Пионные пучки ИТЭФ идеально подходят для экспериментального поиска нестранного криптоэкзотического члена антидекуплета.
На настоящий момент в мире отсутствуют пучки, на которых можно было бы поставить аналогичный эксперимент.
Экспериментальные условия чрезвычайно благоприятны для постановки предлагаемого эксперимента: большие сечения и чувствительности к эффекту, малые затраты ускорительного времени.
В случае обнаружения резонансного состояния можно определить не только его массу, но и ширину (или дать оценку на нее на порядок лучшую, чем для всех уже открытых членов антидекуплета), а также квантовые числа (не сделано ни для одного из “пентакварков”) и соотношение мод распада по упругому каналу и каналу KΛ.
Если резонансный эффект не будет обнаружен ни в одном из двух каналов реакции, предлагаемых для исследования, то такой отрицательный результат также чрезвычайно важен для проверок и построения теоретических моделей.