Recherche des résonances manquantes via un formalisme de quarks et des équations couplées

par Johan Durand

Thèse de doctorat en Physique nucléaire

Sous la direction de Bijan Saghai.

Soutenue en 2009

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Résonance nucléaire
• Physique nucléaire
• Quarks
• Équations

Résumé

Notre travail porte d’une part sur l’étude de la réaction πN → ηN dans le cadre d’un formalisme de Lagrangiens effectifs permettant de traiter cinq voies couplées méson-baryon (πN, ηN, πΔ, σN, ρN) et d’autre part sur celle de la réaction γN → ηN dont la voie directe est décrite grâce à un formalisme de quarks constituants et dont les voies couplées sont basées sur le même formalisme que celles de la réaction πN → ηN. Nous avons construit des modèles dans un domaine en énergie totale dans le centre de masse situé entre le seuil de chacune des réactions et environ 2 GeV. Ces modèles incluent des résonances connues dans cette gamme en énergie à savoir S11(1535), S11(1650), P11(1440), P11(1710), P13(1720), P13(1900), D13(1520), D13(1700), D15(1675), F15(1680), F15(2000) et F17(1990). Pour cela, les paramètres libres ont été ajustés sur des données expérimentales relativement anciennes pour la réaction π−p → ηn et plus récentes pour γp → ηp. Pour le processus π−p → ηn, compte tenu de l’hétérogénéité de la base de données, nous avons obtenu une description acceptable des observables mesurées. Les composantes les plus importantes du modèle sont : S11(1535), S11(1650), P13(1720), F15(1680) et D13(1520). Pour la réaction de photoproduction γp → ηp, la base de données, nettement plus riche et davantage cohérente, inclut des sections efficaces différentielles et des observables de simple polarisation. Le modèle obtenu est dominé par les résonances : S11(1535), S11(1650), D13(1520), P13(1720) et F15(1680). Le caractère suffisamment sophistiqué des formalismes et l’abondance des données précises pour la photoproduction nous ont permis de rechercher de nouvelles résonances nucléoniques. Notre étude montre un rôle important joué par une nouvelle résonance S11 dont nous avons extrait la masse et la largeur (M=1707 MeV, Γ=222 MeV) et une contribution moins forte mais non négligeable d’une nouvelle D13 (M=1950 MeV, Γ =139 MeV). L’ensemble de nos résultats contribuent à une amélioration de nos connaissances sur les propriétés des résonances établies. Les nouvelles résonances mises en avant dans ce travail constituent des éléments supplémentaires dans l’étude de la spectroscopie des baryons en particulier par des approches basées ou inspirées de la QCD.

Titre traduit

Search for missing resonances via chiral constituent quark and coupled-channels formalisms

Résumé

We have studied both pion- and photon-induced eta production in the nucleon resonance region. The πN → ηN reaction has been investigated with a dynamical coupled-channels formalism based on effective Lagrangians, including five meson-baryon states (πN, ηN, πΔ, σN, ρN). The γN → ηN process has been described by using a constituant quark formalism for the direct channel and by the same formalism as the one used for the πN → ηN reaction to derive the coupled-channels mechanisms. We have constructed models in the total energy range in the center-of-mass frame between the threshold of the considered reactions and 2 GeV approximately. These models embody known resonances in that energy range namely S11(1535), S11(1650), P11(1440), P11(1710), P13(1720), P13(1900), D13(1520), D13(1700), D15(1675), F15(1680), F15(2000) and F17(1990). Free parameters have been adjusted mainly with old experimental data for the π−p → ηn reaction and more recent ones for γp → ηp. Knowing the heterogeneous character of the database for the reaction π−p → ηn, we have obtained a satisfactory description of the observables. The most important ingredients of the model are S11(1535), S11(1650), P13(1720), F15(1680) et D13(1520). For the photoproduction process, the database which includes differential cross sections and simple polarization observables is more copious and more consistent. The derived model is dominated by the following resonances: S11(1535), S11(1650), D13(1520), P13(1720) and F15(1680). The sophisticated feature of the formalism and the amount of accurate data for the photoproduction process allow us to search for possible contributions from the so-called missing and/or new resonances. Our study shows an important role played by a new S11, whose mass and width have been extracted (M=1707 MeV, Γ=222 MeV), and to a lesser extent by a new D13 (M=1950 MeV, Γ =139 MeV). These results contribute to a better insight on the properties of known resonances. The new resonances underlined in this work are significant ingredients in understanding the baryon spectroscopy, especially within approachs based on QCD.