Investigation of Exotic Hadrons via Hadronic Scattering Processes

Abstract

This study aims to explore the possible existence of exotic hadrons, such as tetraquarks and pentaquarks, predicted by quantum chromodynamics (QCD). We employ the effective Lagrangian approach based on the tree-level Born approximation, combined with the Regge trajectory method. First, in the K^+n → K^{*0}n reaction, we focus on a potential S = +1 excited resonance P_0^{+*} ≡ P_0^*, which is presumed to belong to the extended vector-meson–baryon (VB) antidecuplet. The P_0^* is characterized by M_{P_0^*} ≈ 2.5 GeV and Γ_{P_0^*} ≈ 100 MeV. An experimental method is proposed to enhance the signal-to-noise (S/N) ratio, and the spin-parity is analyzed through recoil-proton spin asymmetry. Next, The p̄p → ϕϕ reaction is studied to investigate OZI violation at the hadronic level. Scalar and tensor mesons generate a peak near Ecm = 2.2 GeV, while nucleons and their resonances dominate near the threshold. Cusp structures arise from the Λ̄Λ and Σ̄Σ channels. The spin density matrix elements (SDMEs) provide insight into the individual hadronic contribution. Lastly, we also consider various nucleon resonances in the π^−p → ϕn reaction, which involves a OZI-violating mechanism. Sub-threshold nucleon resonances are crucial for reproducing the total cross section. The data near Ecm = 2.15 GeV cannot be explained by known nucleon resonances, leading to the introduction of a hypothetical state that also reproduces the photoproduction data. Overall, this work provides theoretical support for the possible existence of exotic hadrons and offers concrete predictions that may guide future experimental searches for such states.|본 연구는 양자색역학 (QCD)에 의해 생성될 수 있는 네쿼크(tetraquark), 다섯쿼크(pentaquark)와 같은 별난 하드론의 존재 가능성을 탐구하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 나뭇가지 준위(tree-level)에서의 보른 근사를 기반으로 한 유효 라그랑지언 방법과 레제 궤적 기법을 사용하였다. 첫번째로 K^+n → K^{*0}n 반응에서는 확장된 벡터 중간자-중입자(VB) 반십중(antidecuplet)에 속하는 S = +1 공명의 들뜬 상태 P_0^{+*} ≡ P_0^*에 대한 분석에 집중한다. 이 상태는 M_{P_0^*} ≈ 2.5 GeV, Γ_{P_0^*} ≈ 100 MeV의 특성으로 설명되었다. 신호대잡음비 (S/N)를 향상시키기 위한 실험적 방법을 고안하였으며, 되튐(recoil)-양성자 스핀 비대칭 계산을 통해 스핀 홀짝성을 분석하였다. 다음으로 OZI 규칙을 명시적으로 위반하는 반응인 p̄p → ϕϕ를 강입자 자유도에서 분석하였다. 스칼라 및 텐서 중간자는 Ecm = 2.2 GeV 부근의 봉우리 구조를 형성하고, 핵자와 그 공명 상태는 문턱 에너지 부근에서 중요한 기여를 가진다. Λ̄Λ와 Σ̄Σ 채널의 열림은 뾰족 구조(cusp structure)의 원인으로 작용한다. 편광 관측 가능한 스핀 밀도 행렬 요소 (SDMEs) 분석을 통해 개별 기여를 구분할 수 있음을 보였다. 마지막으로, p̄p → ϕϕ 반응과 유사하게 π^−p → ϕn 반응에서도 다양한 핵자 공명을 고려하였고, 실험 결과를 재현하기 위해서는 문턱 아래(sub-threshold) 핵자 공명이 주요하게 작용함을 확인하였다. 특히 Ecm = 2.15 GeV 부근의 실험값은 기존 핵자 공명만으로 설명할 수 없어, 가정된 핵자 공명을 도입하였다. 이 공명은 본 반응뿐 아니라 광생성 반응에서도 실험 데이터를 성공적으로 재현한다. 본 연구는 별난 바리온의 존재 가능성을 이론적으로 뒷받침하고, 실험적 관측을 위한 구체적인 예측값을 제시하였다. 이러한 결과는 향후 관련 실험을 통한 별난 하드론들의 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.