"Evidenz für einen schmalen Zustand in tief inelastischer Streuung, der zu K_s Proton und K_s Anti-Proton zerfällt"

"Evidence for a narrow state decaying to K_s proton and K_s anti-proton in deep inelastic scattering"

Kurzfassung

In der jüngeren Vergangenheit wurden von mehreren fixed-target Experimenten Hinweise auf die Existenz einer schmalen, baryonischen Resonanz in den Zerfallskanälen K⁺n und K⁰_Sp beobachtet, die als Pentaquark (Θ⁺) interpretiert werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird die Suche nach einer solchen Resonanz in der invarianten K⁰_Sp(p) Masse vorgestellt. Die verwendeten Daten wurden mit dem ZEUS Detektor bei HERA aufgenommen und entsprechen einer integrierten Luminosität von 121 pb^-1. Es wurde der Bereich zentraler Pseudorapiditäten in tiefinelastischer ep Streuung bei Schwerpunktsenergien von 300-318 GeV untersucht. Der kinematische Bereich ist auf Werte der Virtualität des ausgetauschten Photons von Q² > 2 GeV² beschränkt.

Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit unterstützen die Annahme der Existenz eines Θ⁺-Zustandes. Für Photonvirtualitäten oberhalb von 20 GeV² wurde eine schmale Resonanz in der Verteilung der invarianten K⁰_Sp(p) Masse beobachtet. Die Anpassung der Parameter einer Gaußfunktion an die Daten ergaben eine Masse von 1521.5± 1.6(stat.)^+2.1_-2.6(syst.) MeV und eine Breite des Signals von σ = 6.9± 1.4(stat.)^+2.4_-2.0(syst.) MeV, die etwas oberhalb der experimentellen Auflösung liegt, mit dieser aber verträglich ist. Es wurden 217 ± 45 Signalereignisse beobachtet. Unter Verwendung verschiedener Annahmen über die Abhängigkeit des Untergrundes ergibt sich eine statistische Signifikanz des Signals von 3.5σ bis 4.8σ.

Es wurden mehrere Tests durchgeführt, anhand derer die Teilchenidentifikation, die mögliche Existenz von Reflektionen bekannter Zustände sowie die Stabilität des Signals bei 1522 MeV überprüft wurden, das in allen Tests bestand.

In Teilchenkollisionen bei hohen Energien werden Hadronen vorwiegend im Fragmentationsprozess erzeugt, wobei Teilchen und Antiteilchen in vergleichbaren Raten produziert werden. Daher wurden die K⁰_Sp­ und K⁰_Sp ­Massenspektren gesondert betrachtet. Auch im K⁰_Sp ­Kanal wurde eine Anreicherung beobachtet, zu der 75 ± 40 Signalereignisse beitragen. Interpretiert man das Signal in der K⁰_Sp Massenverteilung als Pentaquark, könnte dies die erste Beobachtung des Antipentaquarks, Θ^-, darstellen.

Falls es sich bei dem Θ⁺ ­Signal um einen Isotensorzustand handelt, erwartet man im invarianten K⁺p Massenspektrum ein Signal des Isospinpartners Θ⁺⁺. Darüber hinaus können mittels des Λ(1520)D₀₃ Mesons, das ebenfalls im Zerfallskanal Kp rekonstruiert werden kann, Effzienzen und Auflösungen überprüft werden. Es wurde ein deutliches Signal im K^- p(K⁺p) Kanal bei 1518.5 ± 0.6(stat.) MeV beobachtet. Im Spektrum gleichgeladener Spuren konnte dagegen kein Signal beobachtet werden, welches man ausgehend von der Interpretation des Θ⁺ als Isotensor jedoch erwarten würde.

Das Θ⁺ ­Signal wird vorwiegend bei positiven Pseudorapiditäten, im Vorwärtsbereich des Detektors, und im K⁰_Sp­Kanal beobachtet, was die Frage aufwirft, ob die Θ⁺ ­Produktion in Verbindung mit der Fragmentation des Protonrestes stattfindet. Die vorliegenden Daten reichen jedoch nicht aus, um eine eindeutige Aussage zu treffen.

das Θ⁺ beobachtet wurde. Geht man davon aus, dass tatsächlich das Θ⁺ beobachtet wurde, können die Wirkungsquerschnitte für die Θ⁺ ­Produktion bestimmt werden. Der totale Wirkungsquerschnitt für die Reaktion Θ⁺ ( Θ^-)-> K⁰_Sp(p)) und der differentielle Wirkungsquerschnitt in Abhängigkeit von Q² wurden im kinematischen Bereich 0.04 < y < 0.95, p_T > 0.5 GeV und |η| < 1.5 und für Photonvirtualitäten Q² > 20 GeV² gemessen. Der totale Wirkungsquerschnitt beträgt 130.0 ± 26.9(stat.) pb.

Des Weiteren werden die Θ⁺ ­Wirkungsquerschnitte mit denen der Λ Baryonproduktion im gleichen kinematischen Bereich verglichen. Dabei werden zwei alternative Methoden zur Rekonstruktion der Λ Baryonen verwendet, einerseits unter Verwendung der dE/dx ­Messung, andererseits anhand der Rekonstruktion des Sekundärvertex. Letztere wird dazu herangezogen, die Detektorakzeptanzen der dE/dx ­Methode zu überprüfen und die Unsicherheit der K⁰_S­Rekonstruktion zu bestimmen. Die mittels der beiden Methoden erhaltenen Wirkungsquerschnitte stimmen innerhalb von 6% miteinander überein. Für Q² > 20 GeV² variiert das Verhältnis der Θ⁺ /Λ Produktion von 4% bis 15% für verschiedene Q² ­Bereiche, während sich für Q² < 20 GeV² ein Verhältnis von 7 ± 7% ergibt, das mit null verträglich ist.

Die Detekorakzeptanz für das Θ⁺ beträgt für Q² < 20 GeV² nur 0.5 ± .03%, im Vergleich zu 4% für Q² > 20 GeV² . Diese recht niedrige Akzeptanz bedeutet, dass die Sensitivität bei kleinem Q² gering ist. Deshalb kann ein Θ⁺­Signal in diesem Bereich nicht ausgeschlossen werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Unterdrückung des Signals mit dessen unbekanntem Produktionsmechanismus in Zusammenhang steht.

Titel

Kurzfassung

Summary

Recent results from fixed-target experiments give evidence for a narrow baryonic resonance decaying to K⁺n and K⁰_S, interpreted as a pentaquark (Θ⁺). This thesis presents a search for such a resonant state in the K⁰_Sp(p) invariant-mass spectrum. The data was collected with the ZEUS detector at HERA and corresponds to an integrated luminosity of 121 pb^-1. The analysis was performed in the central rapidity region of inclusive deep inelastic scattering at an ep center-of-mass energy of 300-318 GeV for exchanged photon virtuality, Q² > 2 GeV².

The results presented here support the existence of the Θ⁺ state. A narrow resonance is seen in the K⁰_Sp(p) invariant-mass spectrum in the kinematic region of Q² > 20 GeV². The peak position, determined from a fit to the mass distribution, is 521.5± 1.6(stat.)^+2.1_-2.6(syst.) MeV, and the measured Gaussian width of σ = 6.9± 1.4(stat.)^+2.4_-2.0(syst.) MeV is slightly above, but consistent with the experimental resolution. The number of events ascribed to the signal by this fit is 217 ± 45. The statistical significance, estimated from the number of events assigned to the signal by the fit, varies between 3.5σ and 4.8σ, depending on the assumption of the background shape. Several cross checks were made in order to validate the particle identification, to study possible reflections from known states and to verify the robustness of the peak. The 1522 MeV peak passes all checks.

In high-energy experiments, where hadron production is dominated by fragmentation, hadrons and their antiparticles should be produced in equal numbers. Hence the invariant-mass spectra of K⁰_Sp and K⁰_Sp were searched independently. An enhancement is also seen in the K⁰_Sp channel. The number of events ascribed to the signal by the same fit is 75 ± 40. If the K⁰_Sp signal is interpreted as a pentaquark, then the enhancement in the K⁰_Sp channel may correspond to its antiparticle, the Θ^-. This would be the first evidence for Θ^-.

If an isotensor state is responsible for the Θ⁺ signal, its isotensor partner, the Θ⁺⁺, might be expected in the K⁺p spectrum. Furthermore, one advantage of reconstructing the Kp invariant mass is that it allows the usage of the well established Λ(1520)D₀₃-meson in this decay mode to check the efficiencies and resolutions. A clean peak is seen in the K^-p(K⁺p) channel at 1518.5 ± 0.6(stat.) MeV, however no peak is seen in the like-sign spectrum, thereby disfavoring the isotensor interpretation of the Θ⁺ state.

The Θ⁺ signal is observed to come predominantly from protons in the forward region, which does not support the assumption that the production is via fragmentation. Instead it raises the question whether Θ⁺ production might have some connection with the proton-remnant. However, higher statistical precision is necessary in order to draw a stronger conclusion.

Also reported in this thesis are cross-section measurements for Θ⁺ production and decay, assuming the signal is real. The cross section for Θ⁺(Θ^-) -> K⁰p(p) is measured in the kinematic region, defined by 0.04<y<0.95, p_T>0.5 GeV and |η|<1.5. The total and differential cross sections, dσ/dQ², for Q² > 20 GeV² are presented. The total cross section is 130.0 ± 26.9(stat.) pb.

Furthermore, the Θ⁺ cross section is compared to that of Λ-> pπ, produced in the same kinematic region. The Λ-baryons were reconstructed via both the dE/dx and the secondary vertexing information. The latter method provides a cross check on the detector acceptance with the dE/dx method and a measure of the uncertainty on the K⁰_S reconstruction. The two methods yield cross-section results that are within 6 % of each other. The ratio of Θ⁺/Λ-production cross section varies between 4 % and 15 % as a function of Q² for Q²> 20 GeV². For Q²< 20 GeV², the same ratio is 7 ± 7%, which is consistent with zero.

Finally, the detector acceptance for Θ⁺ for Q²< 20 GeV² is 0.5 ± .03 %, compared to 4 % for Q²> 20 GeV². This rather low acceptance means that there is low sensitivity in the low Q² region. Hence a Θ⁺ signal cannot be excluded in this region. However, it is possible that the suppression of the signal may also be related to its unknown production mechanism.