Recherche exprimentale de pentaquarks: revue et perspectives

1
Recherche expérimentale de pentaquarks revue et
perspectives

• S. Niccolai, IPN Orsay
• (Collaboration CLAS)

• Pentaquarks de quoi sagit-il?
• Signatures expérimentales du T
• Résultats négatifs
• Recherche des partenaires du T
• Nouveaux résultats de CLAS
• Conclusions et perspectives

2
Quarks et hadrons

• Modèle des quarks constituants très efficace pour
  la spectroscopie des hadrons
• Tous les mésons sont des états liés dun quark et
  dun anti-quark (qq)

Avec SU(3) (u,d,s)
Jp0-
3
Quarks et hadrons

• Modèle des quarks constituants très efficace pour
  la spectroscopie des hadrons
• Tous les mésons sont des états liés dun quark et
  dun anti-quark (qq)
• Tous les baryons connus sont des états liés de
  3-quarks (qqq)

Avec SU(3) (u,d,s)
Baryons qqq
Jp0-
Jp1/2
Jp3/2
4
Quarks et hadrons

• Modèle des quarks constituants très efficace pour
  la spectroscopie des hadrons
• Tous les mésons sont des états liés dun quark et
  dun anti-quark (qq)
• Tous les baryons connus sont des états liés de
  3-quarks (qqq)

Mais au delà du modèle des quarks constituants...
QCD admet un spectre hadronique bien plus riche
glueballs, mésons/baryons hybrides, états
multiquarks
5
Que sont les pentaquarks?

• Nouveau type de hadrons baryons avec un
  contenu
• minimal de quarks égal à 5 (qqqqq)

6
Que sont les pentaquarks?

• Nouveau type de hadrons baryons avec un
  contenu
• minimal de quarks égal à 5 (qqqqq)

• Pentaquarks non-exotiques
• Lantiquark a la même saveur quun des autres
  quarks
• Difficiles à distinguer des baryons à 3 quarks

7
Que sont les pentaquarks?

• Nouveau type de hadrons baryons avec un
  contenu
• minimal de quarks égal à 5 (qqqqq)

• Pentaquarks non-exotiques
• Lantiquark a la même saveur quun des autres
  quarks
• Difficiles à distinguer des baryons à 3 quarks

• Pentaquarks exotiques (qqqqQ)
• Lantiquark a une saveur différente de celle des
  4 autres quarks
• Nombres quantiques différents de ceux des baryons
  à 3 quarks

8
Que sont les pentaquarks?

• Nouveau type de hadrons baryons avec un
  contenu
• minimal de quarks égal à 5 (qqqqq)

• Pentaquarks non-exotiques
• Lantiquark a la même saveur quun des autres
  quarks
• Difficiles à distinguer des baryons à 3 quarks

• Pentaquarks exotiques (qqqqQ)
• Lantiquark a une saveur différente de celle des
  4 autres quarks
• Nombres quantiques différents de ceux des baryons
  à 3 quarks
• Exemple uudds (exotique)
• Nombre baryonique 1/3 1/3 1/3 1/3 - 1/3
  1
• Etrangeté 0 0 0 0 1 1

9
Que sont les pentaquarks?

• Nouveau type de hadrons baryons avec un
  contenu
• minimal de quarks égal à 5 (qqqqq)

• Pentaquarks non-exotiques
• Lantiquark a la même saveur quun des autres
  quarks
• Difficiles à distinguer des baryons à 3 quarks

• Pentaquarks exotiques (qqqqQ)
• Lantiquark a une saveur différente de celle des
  4 autres quarks
• Nombres quantiques différents de ceux des baryons
  a 3 quarks
• Exemple uudds (exotique)
• Nombre baryonique 1/3 1/3 1/3 1/3 - 1/3
  1
• Etrangeté 0 0 0 0 1 1

Baryons avec S 1 ne peuvent pas être qqq !!!!!
10

• Lexistence des pentaquark est autorisée par
  la QCD
• Lidée des états à 5 quarks a été proposée
  déjà à la fin des années 60
• (Jaffe, Lipkin, Strotteman)

11

• Lexistence des pentaquark est autorisée par
  la QCD
• Lidée des états à 5 quarks a été proposée
  déjà à la fin des années 60
• (Jaffe, Lipkin, Strotteman)
• mais...

12

• Lexistence des pentaquark est autorisée par
  la QCD
• Lidée des états à 5 quarks a été proposée
  déjà à la fin des années 60
• (Jaffe, Lipkin, Strotteman)
• mais...

1986, Particle Data Group
The general prejudice against baryons not made
of three quarks and the lack of any experimental
activity in this area make it likely that it will
be another 15 years before the issue is decided
13

• Lexistence des pentaquark est autorisée par
  la QCD
• Lidée des états à 5 quarks a été proposée
  déjà à la fin des années 60
• (Jaffe, Lipkin, Strotteman)
• mais...

1986, Particle Data Group
The general prejudice against baryons not made
of three quarks and the lack of any experimental
activity in this area make it likely that it will
be another 15 years before the issue is decided
17 ans après...

• 11 expériences ont observé des signaux de
  pentaquarks depuis 2003
• Plus de 200 articles théoriques publiés
• La recherche de pentaquarks est un des programmes
  principaux dans plusieurs labos

14
Lanti-décuplet des pentaquarks
Recherches expérimentales motivées par le chiral
soliton model Diakonov, Petrov, Polyakov,
Z.Physics A359 (1997)
Jp1/2
15
Lanti-décuplet des pentaquarks
Recherches expérimentales motivées par le chiral
soliton model Diakonov, Petrov, Polyakov,
Z.Physics A359 (1997)
très étroit (quelques MeV)
modes de décroissance nK,pK0
Q (1539)
peut être détecté expérimentalement!
N(1650-1690)
Jp1/2
S(1760-1810)
X(1862)
16
Lanti-décuplet des pentaquarks
Recherches expérimentales motivées par le chiral
soliton model Diakonov, Petrov, Polyakov,
Z.Physics A359 (1997)
Q (1539)
N(1650-1690)
S(1760-1810)
X(1862)
Etats à 5 quarks prévus aussi par QCD réseau et
autres modèles Skyrme model, MIT bag model, QCD
sum rules,
17
Première observation LEPS/SPring-8
Osaka, JAPON (2003)
Cible (LH2)

• Faisceau de photons étiquetés
• Emax 2.4 GeV
• Rétrodiffusion laser

Charge véto
Détecteur
Start counter (C12)
Nakano
Diakonov
Cible (C12)
18
Première observation LEPS/SPring-8
Osaka, JAPON (2003)
Cible (LH2)
K

• Faisceau de photons étiquetés
• Emax 2.4 GeV
• Rétrodiffusion laser

K-
Charge véto
Détecteur
Start counter (C12)
Détectés
19
Première observation LEPS/SPring-8

• Le signal du Q est observé dans la masse
  manquante de gK- à 1.54 GeV après correction du
  mouvement de Fermi et coupures sur f?KK- (bruit
  de fond)
• Signification statistique 4.6s
• La largeur observée, G(Q)lt25 MeV, est dominée
  par la résolution du détecteur

T. Nakano et al., PRL91, 012002 (2003)
Détectés
gn ? K-X MX
20
Observations du Q (1ere génération)
Interactions électromagnétiques
4.8?
4.6?
5.2?
4.6?
Autres types dinteractions
5?
7.8?
4.4?
5?
Réanalyse, Gibbs et al.
5?
5.6?
6.7?
3?
3?
5?
21
Observations du Q (1ere génération)
Interactions électromagnétiques
4.8?
4.6?
5.2?
4.6?
Autres types dinteractions
5?
7.8?
4.4?
Beaucoup de signaux, mais...
5?
Réanalyse, Gibbs et al.
5?
5.6?
6.7?
3?
3?
5?
22
Le T est-il une réflexion cinématique?
CLAS(d)
Mésons lourds M?KK- peuvent produire structures
dans M(NK) à basses masses (A. Dzierba et al.,
hep-ph/0311125)
23
Le T est-il une réflexion cinématique?
CLAS(d)
Problème à résoudre Il faut mesurer des réactions
exclusives avec le T dans des états finaux
différents (sans KK-) et à haute statistique
24
Résumé sur le T résultats positifs
11 observations!!!
MAIS

• Ecart entre les masses
• mesurées Dm20 MeV
• Signification statistique entre 4s et 7.8s

25
Résumé sur le T résultats positifs

11 observations!!!
Mode pK0 S1 pas étiqueté
MAIS

• Ecart entre les masses
• mesurées Dm20 MeV
• Signification statistique entre 4s et 7.8s

26
Résumé sur le T résultats négatifs

• Haute énergie (mécanisme de production?) et
  inclusifs (bruit de fond?)
• Dautres résonances connues sont observées
• Haute statistique!

27
Partenaires du T recherche des X3/2--, X3/20
Exotique, S -2, Q -2
Non exotique, S -2, Q 0
28
Partenaires du T recherche des X3/2--, X3/20
pp
NA49
Ecm 17.2 GeV
hep-ex/0403020
M1.862 0.002 GeV Signification statistique
5.6s G 18 MeV/c2
Pas de pic! Même chose pour CDF, COMPASS
?3/20 observé aussi
29
Signal dun pentaquark charmé H1
Hamburg, ALLEMAGNE
hep-ex/0403017
Electrons de 27.5 GeV qui collisionnent avec des
protons de 920 GeV
Contenu minimal de quarks uuddc
Pas de signal vu par ZEUS (dans la même
réaction!), FOCUS, BABAR
M (3099 /- 3 /- 5) MeV Signification
statistique 5.4s
Pas confirmé!
Vu aussi dans gp?D-p , Dp
30
Pentaquarks, 2ème génération données dédiées
BUT Confirmation de lexistence du T à haute
statistique
31
Pentaquarks, 2ème génération données dédiées

• BUT Confirmation de lexistence du T à haute
  statistique
• Si confirmée
• détermination précise de la masse du T
• propriétés du T spin, isospin, parité
• mécanisme de production
• possibles états excités du T
• confirmation existence des autres membres
  exotiques du décuplet

32
Pentaquarks, 2ème génération données dédiées

• BUT Confirmation de lexistence du T à haute
  statistique
• Si confirmée
• détermination précise de la masse du T
• propriétés du T spin, isospin, parité
• mécanisme de production
• possibles états excités du T
• confirmation existence des autres membres
  exotiques du decuplet

Un programme expérimental est en cours dans
plusieurs labos JLAB, SPring-8, COSY, HERA...
33
CEBAF à JLAB
Continuous Electron Beam Accelerator Facility
Newport News, USA
Emax 6 GeV
34
Le détecteur CLAS dans le Hall-B
CEBAF Large Acceptance Spectrometer

• Acceptance4p
• Dp/p0.5-1
• L1034cm-2s-1

Etiqueteur de photons bremsstrahlung
35
Le détecteur CLAS dans le Hall-B

• Champ magnétique toroïdal (6 bobines)
• Chambres à dérive (DC)
• Scintillateurs temps de vol (TOF)
• Calorimètres Electromagnétiques (EC)
• Compteurs Cherenkov (CC)

Etiqueteur de photons bremsstrahlung
36
Le détecteur CLAS dans le Hall-B
CLAS a été conçu pour mesurer des réactions
exclusives avec des états finaux multi-particules
Etiqueteur de photons bremsstrahlung
37
Le détecteur CLAS dans le Hall-B
Expérience DVCS février 2005 (ORSAY-SACLAY)
Etiqueteur de photons bremsstrahlung
38
Létiqueteur de photons bremsstrahlung
Eg (20 - 95)E0
Eg E0 Ee (E0 connu, Ee mesuré)
39
CLAS-G10 1ère expérience dédiée au Q

• photons étiquetés Eg 0.8 GeV - 3.59 GeV
• cible 24 cm, deutérium liquide
• luminosité intégrée 25 pb-1 10 fois plus haute
  
• que pour les données publiées (CLAS-d)

• prise de données mars - mai 2004
• 10 miliards dévénements collectés
• 25 TB de données traitées

Comparaison données publiées (CLAS-d)
Analyse IPN Orsay
40
CLAS-G10 gd?pKK-(n)
Comparaison CLAS-d publié
41
CLAS-G10 gd?pKK-(n)
Comparaison CLAS-d publié
42
CLAS-G10 gd?pKK-(n)
Comparaison CLAS-d publié
43
CLAS-G10 gd?pKK-(n)

• pKK- détectés dans CLAS

p
44
CLAS-G10 gd?pKK-(n)

• pKK- détectés dans CLAS
• n identifié par masse manquante

n
p
45
CLAS-G10 vs. CLAS-d

• Les nouvelles données ne montrent pas de signal
  de Q
• Limite supérieure sur la section efficace
  calculée
• gn?QK-, slt 4-5 nb (95 CL) ? G(Q)lt0.5 MeV
  (dépendant du modèle)
• Pour le résultat de CLAS-d le bruit de fond était
  sous-estimé
• Nouvelle évaluation pour CLAS-d pic de 3s, du à
  une fluctuation statistique

CLAS-G10
CLAS-d
46
CLAS-G10 ?d??T
Analyse IPN Orsay

• Etrangeté étiqueté par le L S1 pour nK et
  pK0
• A la différence de pKK-n ou pK0K-p
• Pas de possibilité de réflexions cinématiques de
  mésons ? KK
• (seulement un K, de la décroissance du T, dans
  létat final)
• Réaction propre pas de réactions parasites à
  éliminer
• Prédictions du modèle s?G(Q) Guzey, PRC 69,
  065203 (2004)

47
?d??T prévisions théoriques
G(Q)5 MeV S1/2, I0
ds/dt G(Q) ds(pn)/dt S(t)
ds(pn)/dt interférence de gp?L(S0)K (données
exp.) et gn?L(S0)K0 (paramétrisation)
S(t) facteur de suppression nucléaire
ds/dt max pour Eg1.2 GeV, -0.2lttlt0 stot 3 nb
Coupure pn(p)gt 300 MeV/c pour éliminer
N-spectateur bruit de fond non résonant
48
?d??T analyse
p
Modes de décroissance étudiés

• ??pp- Q?Kn
• 3 particules chargées, 1 neutre
• dans létat final

p-
n
K
49
?d??T analyse
p
Modes de décroissance étudiés

• ??pp- Q?Kn
• ??pp-, Q?K0p, K0s?pp-

p-
p
K0
50
?d??T analyse
p
Modes de décroissance étudiés

• ??pp- Q?Kn
• ??pp-, Q?K0p, K0s?pp-

p-
p
K0

• Toutes les 5 particules détectées
• p- manquant
• K0 manquant
• p manquant
• L manquant
• p manquant

51
?d??T, mode nK analyse

• Identification de la réaction
• K, p, p- détectés dans CLAS
• n identifié par masse manquante
• L identifié par masse invariante pp-

p
p-
n
K
L
n
52
?d??T, mode nK résultats

• Pas de signal de Q, sans ou avec coupures
  cinématiques (Guzey)
• Calcul des limites supérieures sur les sections
  efficaces totale (slt2 nb) et diff. ds/dt

Préliminaire
Sans coupures
Eglt1.6 GeVpngt0.2 GeV/c
53
?d??T, mode pK0 analyse
p
2 protons, 2p-, 1p détectés dans CLAS
p-
p

• Identification de létat final
• -0.01ltMM2lt0.005 (GeV2/c4)

K0
p0
54
?d??T, mode pK0 analyse
2 protons, 2p-, 1p detectés dans CLAS
L12
L22

• Identification de létat final
• -0.01ltMM2lt0.005 (GeV2/c4)
• M(pp-) M(L) 3s
• M(pp-) M(K0) 3s

K01
K01
L11
L21
4 combinaisons avec 4 spectres de masse pK0 qui
peuvent être sommés
K02
K02
55
?d??T, mode pK0 résultats

• pas de signal de Q dans la masse invariante pK0
• travail en cours extraction des limites
  supérieures sur la section efficace

Pas de Q dans les autres 3 topologies de
détection analysées
56
CLAS-G11 recherche du T sur proton

• prise données mai-juillet 2004
• 10 fois plus de statistique que dans les
  vieilles données gp
• E? 0.8 3.59 GeV
• recherche détat fondamental et états excités du
  Q
• recherche du Q

gp?K0K(n) T?nK, K0?pp-
(publiée par SAPHIR)
K, p, p- détectés dans CLAS n identifié avec
masse manquante
57
CLAS-G11 comparaison avec SAPHIR
Nombre dévénements observés SAPHIR
N(Q)/N(L) 10 CLAS N(Q)/N(L) lt 0.2
(95CL) Sections efficaces SAPHIR sg p ?
Q K0 300 nb Réanalyse 50 nb (non
publiée) CLAS sg p ? Q K0 lt 2 nb G(Q)lt0.5
MeV (dép. du modèle)
SAPHIR
Counts
Counts
cosqCM(K0) gt 0.5
cosqCM(K0) gt 0.5
M(nK) (GeV)
M(nK0) (GeV)
CLAS-G11
Couts
L(1520)
Counts
cosqCM(K0) gt 0.5
cosqCM(K0) gt 0.5
Q(1540) ?
M(nK) (GeV)
M(nK0) (GeV)
58
Nouveaux résultats de SPring-8
gd?K-pX, M(K-p)?L(1520)
gd?K-KX
?
5s
préliminaire
Counts/5 MeV
sidebands
? (quasi-free)
MMd(?,K-p) GeV/c2
59
CLAS vs SPring-8 résultats incompatibles?
60
Statut du pentaquark aujourdhui

• Expérience Signal Bruit de fond. Sign. stat.
• publiée Commentaires
• --------------------------------------------------
  --------------------------------------------------
  -------------------------------------
• SPring8 19 17 4.6s 3.2s
• SPring8 90 260 4.8s Nouvelles données
• SAPHIR 55 56 4.8s 5.2s
• DIANA 29 44 4.4s 3.4s
• CLAS(d) 43 54 5.2s 4.4s
• CLAS(p) 41 35 7.8s 4.7s
• ? 18 9
  6.7? 3.5s
• HERMES 51 150 4.3-6.2? 3.6s
• ZEUS 230 1080 4.6?
  6.4s
• COSY 57 95
  4-6? 4.7s Plus de stat. en cours
  danalyse
• SVD 41 87
  5.6? 3.6s
• SVD-2 370 2000 7.5s Analyse améliorée
• NA49 38 43
  4.2? 4.2s
• H1 50.6 51.7
  5-6? 5.0s

? BELLE
Q
? BABAR
X5
Qc
61
Conclusions

• La possibilité dexistence de pentaquarks a
  renouvelé lintérêt dans la spectroscopie des
  baryons
• 11 observations de T publiées, mais basse
  statistique et masses différentes
• Plusieurs résultats négatifs dexpériences
  inclusives à hautes énergies
• Deux expériences dédiées à haute statistique sur
  proton et deutérium (CLAS) contredisent les
  observations du Q de 5s, dans les mêmes
  cinématiques
• Pour la plupart des modèles, les nouveaux
  résultats de CLAS imposent
• une limite supérieure sur G(Q) lt 0.5 MeV
• Nouvelles données ou analyses de LEPS, SVD-2 et
  STAR montrent le Q
• Il faut établir si les résultats des expériences
  gd and gA à basse statistique sont consistants
  avec les limites supérieures de sections
  efficaces calculées à CLAS
• Existence des autres membres du décuplet et de
  Qc est fortement mis en doute

62
Perspectives

• The Q pentaquark is not in good health, but it
  is still alive (V. Burkert)

63
Perspectives

• The Q pentaquark is not in good health, but it
  is still alive (V. Burkert)
• Le dernier mot revient aux expériences
• - nouvelles analyses en cours à COSY, SVD-2,
  SPring8
• - mesures prévues à SPring8, JLab
• - H1, ZEUS, HERMES prise de données à haute
  luminosité (?2007)
• - données à plus haute statistique à STAR,
  PHENIX

64
Perspectives

• The Q pentaquark is not in good health, but it
  is still alive (V. Burkert)
• Le dernier mot revient aux expériences
• - nouvelles analyses en cours à COSY, SVD-2,
  SPring8
• - mesures prévues à SPring8, JLab
• - H1, ZEUS, HERMES prise de données à haute
  luminosité (?2007)
• - données à plus haute statistique à STAR,
  PHENIX
• Si le pentaquark Q ne survit pas dans les
  prochaines années
• il faudra comprendre la raison des
  précédentes observations...

?
65
Mode nK background de S-?
gd ? pKS- ? pKnp-
masse manquante pK avant coupure sur L
masse manquante pK après coupure sur L
Pas de background de S-