Search for hidden-strangeness pentaquark in Lambda_c -> p phi pi^0 at BESIII

La ricerca di stati legati con strutture interne più complesse di quelle dei mesoni e dei barioni convenzionali è uno dei rami più attivi nella fisica delle particelle. Tali strutture risonanti, denominate appunto esotiche, comprendono tetraquark, pentaquark, glueball, ibridi, eccetera. Sebbene predette fin dagli albori del modello a Quark, nella maggior parte dei casi non vi è una chiara prova della loro esistenza. Negli ultimi anni, diversi esperimenti hanno riportato evidenze di stati che difficilmente possono essere interpretati come adroni convenzionali. In attesa di nuove indicazioni sperimentali, l’obbiettivo principale di questo tipo di ricerca è quello di cercare delle connessioni fra queste risonanze e realizzare una vera e propria spettroscopia esotica, in modo da migliorare la comprensione della parte non perturbativa della CromoDinamica Quantistica (QCD). Infatti, al momento, l’unica possibilità per indagare la regione in cui l’interazione forte è al massimo della sua intensità è basata integralmente su teorie effettive di campo sempre più precise. Maggiore è la parte conosciuta dello spettro, maggiore è il potere predittivo di queste teorie. Tale compito è affidato a una nuova generazione di esperimenti: le flavour-factories nel regime dei mesoni B (BELLE, BELLE-II e BaBar), o alle energie del settore tau-charm (BESIII), ai collisionatori adronici (LHCb, e nel futuro PANDA), agli esperimenti di fotoproduzione (CLAS12 e GLUEX). Tra tutti i candidati esotici, i pentaquark sono gli stati più elusivi. Gli unici due candidati osservati che possono essere realisticamente descritti con modelli a 5 quark sono quelli osservati dalla collaborazione LHCb. Infatti, LHCb ha osservato due strutture nel decadimento Lambda_b → p J/psi K-, nello spettro di massa invariante di J/psi p. Al fine di comprendere la natura di queste strutture è naturale cercare stati analoghi in altri sapori. Recentemente, R.F. Lebed ha proposto un modello in un cui è possibile cercare pentaquark detti hidden-strangeness nel decadimento Lambda_c → p phi pi0, nello specifico come risonanze nella masse invariante protone phi. L’obbiettivo di questo lavoro è cercare stati pentaquark esotici con hidden-strangeness con i dati raccolti dall’esperimento BESIII. L’esperimento BESIII è un detector centrale ottimizzato per la fisica del leptone tau e del quark charm. Nel 2014 ha raccolto un set di dati pochi MeV sopra la soglia di produzione di coppie di barioni Lambda_c. La selezione degli eventi è ottimizzata utilizzando una simulazione MonteCarlo. L'analisi degli eventi raccolti mostra un eccesso nella massa invariante pphi. La significatività del segnale è minore di 3 sigma: viene calcolato il limite superiore del rapporto di decadimento Lambda_c -> P_s pi0 è vale BR(Lambda_c -> P_s pi0) < 6.3*10^{-3}. Viene anche calcolato il limite superiore per il rapporto di decadimento in cui non viene prodotto il pentaquark P_s e vale BR(Lambda_c -> p phi pi0) < 8.6*10^{-3}. Questi risultati sono in accordo con le misure in letteratura. BESIII raccoglierà nei prossimi anni 3 fb^{-1}: i nuovi dati serviranno a indagare ulteriormente sull’esistenza del pentaquark P_s.

The search for bound states with structures more complicated than standard mesons and baryons is one of most active fields in high energy physics. Even if most of such states are expected since the first days of the Quark Model, there are no clear indication of their existence. In the past decades several candidates to fill the possible exotic combinations(tetraquarks, pentaquarks, glueballs) were found. More indications are coming, and one of the more vital goals is to try to make connections between these states, in order to realize a new spectroscopy. The hunt for these states is entrusted to the flavour-factories, either at B energies (BELLE and BaBar) or at τ − charm ones (BESIII), and at the hadrons collider (LHCb, and in the future P̄ANDA) and the photoproduction one (GLUEX, CLAS12). The observation of the elusive parts of the Quark Model help to shed more light on the non-perturbative part of the Quantum Chromodynamics (QCD). In fact, our understanding of the strong interaction at its maximum strength relies on the development of more precise effective field theory. The more the experimental spectrum is unveiled, the more these theories can become precise. Among all the exotics, pentaquark candidates seem to be more elusive particles. The only two candidates observed that can fit in the picture of 5 quarks are the ones observed by LHCb Collaboration. LHCb observed two structures in the decay Λ b → pJ/ψK −, in the pJ/ψ invariant mass. One natural step forward in understanding the nature of such states is to search for partners in other flavour sectors. Recently, a model was proposed by R.F. Lebed [2], in which it is shown the possibility to search for hidden-strangeness pentaquark siblings in the decay of Λ c → pφπ0 , with the pentaquark emerging in the pφ pair invariant mass. The aim of this work is to search for exotic hidden-strangeness pentaquarks with BESIII data. BESIII experiments is a central detector optimized for τ and charm physics. In 2014 it has collected a sample of data at the Λ c Λ̄ c baryon threshold thanks to the upgraded center-of-mass energies of the lepton collider BEPCII. The event selection is optimized using MonteCarlo simulation of the detector and of the process. The analysis of the collected data shown a small bump in the pφ invariant mass. The statistical significance of the excess is below 3 sigma, so only the upper limit can be calculated. The resulting upper limit for the branching ratio is found to be UL(Λ c →Ps pi0) < 6.3 10^{-3}. It is also possible calculate the upper limit for the branching ratio of the non resonant process UL( Λ c → pφπ0) < 8.6 10^{-3}. These results are in agreement with the literature. In the next few years, BESIII will collect 3 fb^{-1} in order to improve the measurement and disentangle if the pentaquark P_s exist.