PENTAKVARKOK Dániel Barna barnad@rmki.kfki.hu KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest & CERN NA49 kísérlet p.1/60
A történet kezdete... 2003 Január: LEPS kísérlet (SPring-8, Japán) PRL-hez beküldött cikke Éles csúcs m 1540 MeV-nél a nk + spektrumban Csomó más kísérleti és elméleti cikk követte. Miért ennyire érdekes ez az eredmény? Az új részecske barion: B=1 Ritkasága: S=+1 egy s kvarkot tartalmaz Elméleti jóslatok motiválták a kutatást p.2/60
Mire számíthatsz a következő 1 órában... Néhány elméleti modell... A friss kísérleti eredmények (és a kísérletek, főleg NA49) áttekintése Régi eredmények áttekintése (miért csak most?) negatív eredményekkel való konfrontáció p.3/60
ELMÉLETEK... p.4/60
SU(3) alapok... Kvarkok: színesek Megfigyelt hadronok: színtelenek A legegyszerűbben így építhetőek fel: qqq barionok 3 3 3 1 qq mezonok 3 3 1 De ez nem minden!!! Bonyolultabb állapotok is alkothatnak szín-szingletet! Tenger-kvark párok (qq) jelen vannak (és fontosak) a hadronokban Szintén lehetséges: q más ízű, mint bármelyik másik q nincs annihiláció p.5/60
Penta/tetra-kvarkok: mik is ők? qqqqq pentakvark (barion) qqqq tetrakvark (mezon) Nyilvánvaló jel: EXOTIKUS részecskék megfigyelése (olyan kvantum-# kombináció, ami nem létezhet 3-kvark rendszerre) Barion S=+1 ritkasággal pár-nélküli s Barion: S=-2, Q=-2 Q(ssq) -2 Ha a q-nak van íz-partner q-ja nem-exotikus p.6/60
Elméleti jóslatok A teljesség igénye nélkül... Bag model R.L. Jaffe, SLAC-PUB-1774 (1976) D. Strottman, Phys. Rev. D20, 748 (1979) Skyrme királis szolitonok: } A. Manohar Nucl. Phys. B248, 19 (1984) kiterjesztés M. Chemtob Nucl. Phys. B256, 600 (1985) hiperonokra Diakonov, Petrov, Polyakov Z. Phys. A359, 305 (1997) Jóslat: exotikus barion anti-decouplet tömeg & szélesség jóslatok Ez volt a motiváló cikk a LEPS kísérletnek p.7/60
A királis szoliton modell Diakonov, Petrov, Polyakov Z. Phys. A359, 305 (1997) ts Strangeness 1 0 1 (Z + ) Θ + (uu dd s) M=1530 MeV Γ 15 MeV (rossz??) N rögzítés: N(1710) Σ M=1890 MeV 2 Ξ _ (ds ds u) Ξ _ Ξ 0 + Ξ _ (us us d) Ξ 3/2 M=2070 MeV Γ 140 MeV (túl nagy?) Jósolt paritás: pozitív p.8/60
Korrelált (di-)kvark modell R. Jaffe & F. Wilczek, arxiv:hep-ph/0307341(2003), arxiv:hep-ph/0401034 2 kvark egy di-kvarkok alkot: [q 1 q 2 ] Spin: 0 SU(3) flavour & SU(3) colour : 3 (3 3 3) Pentakvark: [q 1 q 2 ][q 3 q 4 ]q 3 3 3 1 Barion anti-decouplet octet (szín) (íz) Tetrakvark: [q q 1 2 ][q q 3 4 ] 3 3 1 (szín) Mezon oktet (nem-exotikus) (íz) p.9/60
Multipletek a di-kvark modellben ts Strangeness 1 0 1 2 Barionok Ξ Ξ _ Ξ 0 + Ξ 3/2 3/2 3/2 3/2 Ξ _ 1/2 Ξ 0 1/2 Θ + (1540) N (1440) Σ, Σ s Ξ (1750) Mezonok nem-exotikusak = ismert rezonanciák??? Könnyű kvarkok (u,d,s) esetén: csak ezek a pentakvarkok! Jósolt paritás: pozitív p.10/60
ntssoliton vs. dikvark tömeghierarchia Tömeg (tetsz. skála) uu dd d Σ s Ξ, Ξ 3/2 N s Ξ 3/2 Σ N Λ, Σ Θ + Θ + N uu dd d uu dd s DIQUARKS SOLITON A legérdekesebb különbség: a legkönnyebb barion Dikvark modell: N (nem-exotikus, s kvark nélkül) Soliton modell: Θ + (exotikus, benne s) p.11/60
Az exotikusok bomlási csatornái Θ + pk 0 S, nk+ Ξ 3/2 Ξ 3/2,Ξ 1/2 Ξ 0 3/2,Ξ0 1/2 Ξ + 3/2 Ξ π Ξ 0 (1530)π Ξ π + Ξ π + ΛK ΛK 0 p.12/60
Elmélet - Rács QCD Csikor, Fodor, Katz, Kovács arxiv:hep-lat/0309090 ts Kísérleti érték a Θ + -ra I P Jósolt paritás: negatív ugyanezt jósolja: arxiv:hep-lat/0310014 p.13/60
Elmélet alternatívák Lehet egy barion mezon kötött állapot, molekula? Szélesség 100 MeV Kísérletileg: Γ Θ 10-20 MeV (kísérleti felbontás) Nemkorrelált kvarkok? Paritás: negatív Különböző modellek különböző jóslatokkal! p.14/60
FRISS KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK p.15/60
LEPS: #1 Reakció: γ 12 C nk + K (γn nk + K ) Foton nyaláb: Laser fotonok, Compton-visszaszórva a tárológyűrű 8 GeV/c 2 -es elektronjairól Foton energia (<2.4 GeV) meghatározása: a szórt e energiájának mérésével Target: plasztik szcintillátor (C, H) γp K + K p reakciók kizárása: meglökött p detektálásával M inv (nk + ) meghatározása: hiányzó tömeg M missing (γ, K ) Korrekció a Fermi-mozgásra p.16/60
LEPS: #1 PSfrag replacements Reakció: γ 12 C nk + K 18 15 12 9 6 3 0 1.44 1.5 1.56 1.62 1.68 1.74 1.8 M inv (nk + ) [GeV/c 2 ] M = 1.54 GeV Szignifikancia: 4.6 σ Phys.Rev.Lett. 91, 012002 (2003) p.17/60
DIANA @ ITEP Reakció: K + Xe pk 0 S Xe Nyaláb: 850 MeV K + Target: folyékony xenon buborékkamra Részecskeazonosítás: specifikus ionizáció Nincs mágneses tér momentum meghatározása: részecske úthossza a xenonban p.18/60
DIANA @ ITEP PSfrag replacements Reakció: K + Xe pk 0 S Xe 50 40 30 20 10 0 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 M inv (pks 0) [GeV/c2 ] M = 1.539 GeV Szignifikancia: 4.4 σ arxiv:hep-ex/0304040 p.19/60
CLAS @ JLAB Reakció: γd pnk + K Nyaláb: elektron fékezési sugárzás anyagban = fotonok Target: folyékony deutérium Végállapot: detektált: pk + K Hiányzó tömeg = M neutron p szintén detektálva Fermi-mozgás korrekciója nem szükséges p.20/60
CLAS @ JLAB PSfrag replacements Reakció: γd pnk + K 36 30 24 18 12 6 0 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 M inv (nk + ) [GeV/c 2 ] M = 1.542 GeV Szignifikancia: 5.3 σ arxiv:hep-ex/0307018 p.21/60
SAPHIR @ ELSA Reakció: γp nk + K 0 S Foton nyaláb: e fékezési sugárzása rézben Foton-energia meghatározása: szórt e mérésével Target: folyékony hidrogén Tracking: driftkamra mágneses térben ( töltés és momentum-meghatározás) n mérés: hiányzó energia, impulzus p.22/60
SAPHIR @ ELSA PSfrag replacements Reakció: γp nk + K 0 S 42 36 30 24 18 12 6 0 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 M inv (nk + ) [GeV/c 2 ] M = 1.54 GeV Szignifikancia: 4.8 σ arxiv:hep-ex/0307083 p.23/60
PSfrag replacements νa ütközések Buborékkamrás kísérletek kombinált adatai BEBC (CERN), 15-foot chamber (Fermilab) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 M inv (pks 0) [GeV/c2 ] M = 1.533 GeV Szignifikancia: 6.7 σ arxiv:hep-ex/0309042 p.24/60
HERMES @ DESY Reakció: e d pk 0 S X 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 M inv (pks 0) [GeV/c2 ] M = 1.526 GeV Szignifikancia: 4-5 σ arxiv:hep-ex/0312044 p.25/60
Phenix @ RHIC: Θ + Reakció: d Au nk X Csak periférikus eseményekben! Antineutron: annihilációs cluster az EM kaloriméterben n momentum meghatározás: repülési időből Chris Pinkenburg (Phenix) Poszter: QM2004 (Január 11-17) p.26/60
ZEUS @ DESY Reakció: e + p, e p K 0 S p or K0 S p + X M = 1.527 ± 2 GeV Γ = 10 ± 2 MeV http://www.desy.de/f/seminar/chekanov.pdf p.27/60
PSfrag replacements SVD @ IHEP Reakció: p + A pk 0 S X 60 E beam =70 GeV 50 40 30 20 10 M = 1.526 GeV Szignifikancia: 5.6 σ 0 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 M inv (nk + ) [GeV/c 2 ] arxiv:hep-ex/0401024 p.28/60
Kísérleti összefoglaló Kísérlet Tömeg [MeV] Széles. [MeV] Szignif. LEPS 1540 ± 10 Γ <25 4.6 DIANA 1539 ±2 Γ <9 4.4 CLAS 1542±5 Γ <21 5.3 SAPHIR 1540±4±2 Γ <25 4.8 νa 1533±5 Γ <20 6.7 HERMES 1526±2.5 Γ <20 5.6 Phenix 1543 ± 2 6 ± 2 SVD 1526 ± 6 Γ <24 5.6 ZEUS 1527 ± 2 10 ± 2 PSfrag replacements nk + pk 0 S nk + nk + pks 0 pks 0 nk pk 0 S pk 0 S, pk0 S Tömeg: többnyire konzisztens eredmények pks 0 csatornában kisebb tömeg??? 1520 1540 1560 Szélesség: Γ 10-20 MeV (kísérleti felbontás) p.29/60
Friss, negatív kísérletek STAR @ RHIC: nincs jel p+p, d+au, Au+Au ütközésekben (http://www.jlab.org/intralab/calendar/archive03/pentaquark/talks/salur.pdf) HERA-B @ DESY: nincs jel p+c, p+ti, p+w ütközésekben (http://www-rnc.lbl.gov/qm2004/talks/parallel/friday03/ktknoepfle.pdf) Cosy: állítólag láttak csúcsot p+p ütközésekben (ha megkövetelik egy Σ + jelenlétét), de nem mutattak ábrát (http://www.jlab.org/intralab/calendar/archive03/pentaquark/talks/stroeher.pdf) Első pozitív kísérletek: γ vagy lepton (or K + ) nyalábok Nukleáris reakciók: későbbiek vagy eredménytelenek Nukleáris reakciók rosszabbak a Θ + megfigyeléséhez? p.30/60
PSfrag replacements Miért rosszak a nukleáris reakciók? Túl sok háttér (az energiával növekszik) Θ + keltési h.keresztmetszet csökken az energiával? (NA49: s = 17 GeV RHIC: s = 200 GeV) σ [µb] W. Liu, C.M. Ko (nucl-th/0308034) 30 Total 24 18 12 6 0 pp K 0 pθ + pp π + ΛΘ + pp Σ + Θ+ 3 4 5 6 7 s [GeV] p.31/60
Miért rosszak a nukleáris reakciók? DIANA kísérlet: K + Xe pk 0 S Xe a jel csak akkor szignifikáns, ha K 0 S or p nem szóródik a magban K 0 S és p back-to-back a transzverz síkban = p.32/60
Miért rosszak a nukleáris reakciók? DIANA kísérlet: K + Xe pk 0 S Xe a jel csak akkor szignifikáns, ha K 0 S or p nem szóródik a magban KS 0 és p back-to-back a transzverz síkban = Phenix: jel csak periférikus d+au ütközésekben látható p.32/60
I I I Az NA49 kísérlet 13 m TOF GL x VERTEX MAGNETS VTX 1 VTX 2 MTPC L BEAM BPD 1 TOF TL z S1 VTPC 1 VTPC 2 TOF TR RCAL COLL VCAL a) BPD 2 V0 BPD 3 S2 T S3 MTPC R TOF GR b) BPD 2 S2 V0 BPD 3 LH 2 S4 c) BPD 2 S2 V0 BPD 3 I I I I I I I I I I I I I I T I I I I I I I I CD I I I I I I I S4 p.33/60
NA49: adatok és célok p+p ütközések s = 17.2 GeV energián Eseményválogatás után (elsődleges vertex helye, stb) 3.76 M events A vágyott részecskék: Ξ 3/2 Θ + p.34/60
Ξ 3/2 bomlási topológia Ξ 3/2 Ξ π Ξ 0 3/2 Ξ π + VTPC1 Target Ξ Ξ _ π _ Λ _ π p π _ p.35/60
Θ + bomlási topológia Θ + pks 0 Θ + nk + channel VTPC1 π _ Target Θ + K 0 S p π + Mindkét részecskéhez szükség van V 0 (és kaszkád) rekonstrukcióra! p.36/60
NA49: V 0 rekonstrukció MTPC L VTPC 1 VTPC 2 Px,Py,Pz Target Z VTPC 1 VTPC 2 Known trajectory MTPC R p.37/60
NA49: Kaszkád rekonstrukció Straight trajectory of an identified V0 MTPC L VTPC 1 VTPC 2 Target VTPC 1 VTPC 2 MTPC R p.38/60
NA49: Ξ, Λ invariáns tömegspektrumok 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Λ 1.08 1.12 1.16 1.2 M inv (pπ ) [GeV/c 2 ] 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Λ 1.08 1.12 1.16 1.2 M inv (pπ + ) [GeV/c 2 ] 700 600 500 Ξ 400 300 200 100 0 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 M inv (Λπ ) [GeV/c 2 ] 240 200 Ξ + 160 120 80 40 0 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 M inv (Λπ + ) [GeV/c 2 ] p.39/60
NA49: Ξ π spektrumok vágások A Ξ-re: z > z(mainvertex) + 12 cm M Λ - 1115 < 15 MeV M Ξ - 1321 < 15 MeV Bomlástermékek de/dx: 3σ Bethe-Bloch görbe körül Impact paraméter vágások Az elsődleges π-re: Visszafele extrapolált pálya a main-vertex-nél: b x <1.5 cm, b y <0.5 cm de/dx: Bethe-Bloch görbe mellett ±1.5σ-n belül p.40/60
NA49: Ξ π invariáns tömegspektrumok 60 50 40 30 20 10 Ξ π 0 120 100 80 Ξ 0 (1530) Ξ π + 60 40 20 0 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 M inv (Ξ, π) [GeV] p.41/60
NA49: további vágások a π-re 1.8 1.5 1.2 0.9 π + p Positives π + -ra: p >3 GeV (hogy kiszűrjük a protonokat) 0.6 de/dx 1.8 1.5 p Negatives 1.2 0.9 π 0.6 1 10 100 p [GeV] p.42/60
NA49: további vágások a π-re 1.8 1.5 1.2 0.9 π + p Positives π + -ra: p >3 GeV (hogy kiszűrjük a protonokat) de/dx 0.6 1.8 1.5 1.2 0.9 0.6 π p Szimulációból: Negatives nyilásszögre: PSfrag replacements ϑ Ξ,π > 4.5 1 10 100 p [GeV] ϑ Ξ π p.42/60
40 30 20 10 0 10 15 10 5 0 NA49: a végső Ξ π spektrumok 5 0 Ξ π + Ξ π (Ξ 0 3/2,Ξ0 1/2 ) Ξ + π 6 4 Ξ + π + 2 0 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 M inv (Ξ, π) [GeV] (Ξ 3/2 ) Mind a négy csatornában van valami 1.862 GeV-nál 60 50 40 All channels 30 20 10 0 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 M inv (Ξ, π) [GeV] Γ 18 MeV (kis. felbontás) Szignifikancia: 5.6σ arxiv:hep-ex/0310014, PRL 92, 042003 (2004) p.43/60
Más kísérletek a Ξ 3/2 -ról STAR @ RHIC p+p, d+au és Au+Au ütközésekben : nincs jel (bár még nem mutattak ábrát...) Sevil Salur (STAR) Poszter: QM2004 p.44/60
Más kísérletek a Ξ 3/2 -ról STAR @ RHIC p+p, d+au és Au+Au ütközésekben : nincs jel (bár még nem mutattak ábrát...)... de a Θ + -t sem látják = Sevil Salur (STAR) Poszter: QM2004 p.44/60
Más kísérletek a Ξ 3/2 -ról HERA-B @ DESY p+c, p+ti, p+w ütközésekben Nem látnak jelet =... de ők sem látják a Θ + -t Karl-Tasso Knöpfle (HERA) Poszter & beszély: QM2004 p.45/60
NA49: mi van a Θ + -val???? Látjuk, de még sok megválaszolatlan kérdést kell tisztáznunk... p.46/60
KORÁBBI KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK??? p.47/60
Θ + korábbi kísérleti eredmények??? Kísérleti eredmények A frissek: nk + és pks 0 eredmények tömegspektrumok pozitív A régiek, amik szóba jönnek: főleg K + d és K + p szórás nincs jel Hogyan úszhatta meg eddig a Θ +, hogy megfigyeljék? p.48/60
K + n szórás... K + N 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 45 K + d 2.5 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 Center of mass energy (GeV) 40 K + d total 35 Cross section (mb) 30 25 20 K + n total 15 10 10 1 1 10 10 2 Laboratory beam momentum (GeV/c) Nincs éles csúcs! Fermi mozgás! p.49/60
A Nussinov-becslés: Γ Θ + f = Γ Θ + 100 MeV Γ Θ arxiv:hep-ph/0307357 kiszélesíti a csúcsot elnyomja a maximumát PSfrag replacements f f Elméleti számol. = nem-elnyomott csúcs-maximum A K + d szórási hatáskeresztmetszetben megfigyelt fluktuációk ( 4 mb) Γ Θ < 6 MeV p.50/60
Θ + : pk 0 S spektrumban már 1973-ban!!? CERN 2 m hidrogén buborékkamra K + nyaláb, p=1.69 GeV/c K + p K 0 S p π+ Ha tudták volna, hogy OTT KELL LEGYEN egy részecske 1540 MeV-nél.. Nucl. Phys. B64, 54-92 (1973) p.51/60
Miért nem fedezték fel a Θ + -t eddig? A kísérletek nem voltak elég jók, stb. stb. stb p.52/60
Miért nem fedezték fel a Θ + -t eddig? A kísérletek nem voltak elég jók, stb. stb. stb Nem tudtuk, hogy fel kéne fedeznünk (és hogy hol) p.52/60
Korábbi kísérletek: Ξ π spektroszkópia BNL 80-in. buborékkamra (deuterium) K n ütközések (p beam =3.6, 3.9 GeV) Phys.Rev.D1, 847 (1970) Entries / 40 MeV 50 40 30 20 K n Ξπ +,0 K 0,+ π 10 Ξ(1530) 0 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 M inv (Ξ, π + ) & M inv (Ξ, π 0 ) [GeV] Ξ(1530) tisztán látható Nem látszik csúcs 1.86 GeV körül Igen kis statisztika (néhány beütés 40 MeV-es binekben) p.53/60
Korábbi kísérletek: Ξ π spektroszkópia BNL 80-in. buborékkamra (deuterium) K n ütközések (p beam =3.6, 3.9 GeV) Events / 0.2 GeV 2 20 K n Ξ π K + 16 12 8 4 0 1.2 2.4 3.6 4.8 6 7.2 Minv 2 (Ξ, π ) [GeV 2 ] Entries / 40 MeV 20 16 K n Ξ π K 0 π + 12 8 4 0 8 K n Ξ π K + π 0 6 4 2 0 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 Minv 2 (Ξ, π ) [GeV] p.54/60
Korábbi kísérletek: Ξ π spektroszkópia 1. Korábbi (Ξ,π ) spektrumok ritkák nagy binekkel, kis statisztikával 2. Van azonban néhány (Ξ,π + ) spektrum Főleg K p ütközések Nagy statisztika p.55/60
Korábbi kísérletek: Ξ π spektroszkópia WA89 @ CERN ( Hyperon beam experiment ) arxiv:hep-ex/9710024 Reakció: Σ + A Ξ π + X p Σ beam =345 GeV Nincs csúcs 1860 MeV körül x 10 3 PSfrag replacements M inv (Ξ, π + ) [GeV] p.56/60
Korábbi kísérletek: Ξ π spektroszkópia WA89 @ CERN ( Hyperon beam experiment ) arxiv:hep-ex/9710024 Reakció: Σ + A Ξ π + X p Σ beam =345 GeV Nincs csúcs 1860 MeV körül x 10 3 NA49 WA89 különbség: Energia Nyaláb Target Akceptancia PSfrag replacements M inv (Ξ, π + ) [GeV] p.56/60
Erről maradtál le, ha kesőn érkeztél... A Θ + létezését több kísérlet is megerősítette, konzisztens tömegmérésekkel, de Egyéb tulajdonságairól semmit nem tudunk Paritás??? (jó út bizonyos modellek kizárására) Várható: dedikált kísérletek pontos tömeg, szélesség, paritásmérésre NA49: a másik jósolt exotikus részecske (Ξ 3/2 ) Várunk a megerősítésre Egyelőre nem látják mások! Miért? Más bomlási csatornák!!! (ΛK,...) p.57/60