[論文レビュー] A search for J^{PC}=1^{-+} exotic mesons in the pi- pi- pi+ and pi- pi0 pi0 systems

A. Dzierba, R. E. Mitchell+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2005

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、18 GeV/$c$ における $\pi^{-}p \to (3\pi)^{-}p$ 反応で $\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$ および $\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$ 終状態の高統計的部分波解析を、中間状態として $\rho(770)$, $f_2(1275)$, $\pi_2(1670)$ を想定した等価モデル振幅を用いて、$J^{PC}=1^{-+}$ の異性子メソンの探索を目的として実施した。以前の $1.6~\text{GeV}/c^2$ 異性子状態の兆候にもかかわらず、より大きなデータサンプルでは $\pi_1(1600)$ や $1^{-+}$ 異性子の証拠は得られず、等スピンの整合性と部分波セットの収束性が向上した。

ABSTRACT

A partial wave analysis (PWA) of the pi-pi-pi+ and pi-pi0pi0 systems produced in the reaction pi- p -> (3pi)-p at 18 GeV/c was carried out using an isobar model assumption. This analysis is based on 3.0M pi-pi0pi0 events and 2.6M pi-pi-pi+ events and shows production of the a2(1320), pi2(1670) and π(1800) mesons. An earlier analysis of 250K pi-pi-pi+ events from the same experiment showed possible evidence for a J^{PC}=1^{-+}$ exotic meson with a mass of 1.6 GeV/c^2 decaying into rho pi. In this analysis of a higher statistics sample of the (3pi)- system in two charged modes we find no evidence of an exotic meson.

研究の動機と目的

• 特に $\pi_1(1600)$ を対象として、$\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$ および $\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$ 終状態における $J^{PC}=1^{-+}$ 異性子メソンの探索を目的とする。
• より高い統計的精度のデータサンプルを用いて、以前に報告された $1.6~\text{GeV}/c^2$ の $1^{-+}$ 共鳴状態の存在を検証する。
• 異なる検出器応答を持つ二つの電荷モード間の比較を通じて、等価モデル部分波解析（PWA）の妥当性を検証する。
• より完全な波セット（高次部分波を含む）を用いて、$1^{-+}$ 信号の頑健性を評価する。
• 波セットの完全性を向上させ、フィッティングの安定性を高めることで、$1.6~\text{GeV}$ 付近の $1^{-+}$ 増幅が統計的ゆらぎか実際の共鳴状態かを特定する。

提案手法

• 等価モデルを用いて $\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$ および $\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$ 系の部分波解析（PWA）を実施し、$\rho(770)$, $f_2(1275)$, $\pi_2(1670)$ のような中間状態を仮定した。
• 二つの波セット法を採用：低波セット（35波）と高波セット（55波）で、追加で $1^{++}$, $2^{-+}$, $J \geq 3$ 部分波を含めた。
• データおよびPWAフィットからの $D^L_{MN}(\Omega)$ 関数のモーメント $H(LMN)$ を計算し、波セットの適切さとフィッティング品質を評価した。
• ビーム運動量、トラック測定値、LGDキャリオメータデータを用いて、$3\pi$ 系の4運動量を再構築するための運動学的フィッティング（SQUAW）を適用した。
• 再結合の改善とバックグラウンド低減のため、反跳陽子質量を $m_p$ に制約し、二光子質量を $m_\pi$ に制約した。
• PDG値を用いた最大尤度フィッティングを実施し、$\rho$ および $f_2(1275)$ の質量と幅を固定した。また、$\pi\pi$ S波のパラメータ化を複数検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 以前の E852 データで観測された $1.6~\text{GeV}/c^2$ の $1^{-+}$ 共鳴状態の信号が、より高い統計的精度のサンプルでも持続するか？
• RQ2 $1.6~\text{GeV}$ 付近の $1^{-+}$ 信号が、波セットが不完全なために生じる誤りか、それとも実際の共鳴状態か？
• RQ3 $\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$ および $\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$ 終状態は、$\rho\pi$ に崩壊する $1^{-+}$ 共鳴状態に対して期待されるように等スピンの整合性を示すか？
• RQ4 等価モデルは $3\pi$ 終状態を適切に記述できるか、それとも曖昧さを解消するために高次部分波が必要か？
• RQ5 $1^{-+}$ 波の位相と振幅が、支配的である $2^{++}$ 波と比較してどうなるか。これは共鳴状態か干渉効果かを支持するか？

主な発見

• $1^{-+}$ 波は低波セットでは $1.6~\text{GeV}/c^2$ 付近に一時的な増幅を示すが、高波セットに切り替えるとこの特徴は消失する。これは、以前の E852 の結果と整合的である。
• $\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$ および $\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$ モードは、等スピンの整合性を示している：両モードで $a_2^{-}$ の生成断面積は等しく、$\pi_2^{-}$ の生成断面積は $\pi^{+}\pi^{-}\pi^{-}$ モードで $\pi^{0}\pi^{0}\pi^{-}$ モードの2倍である。これは理論的期待と一致する。
• $2^{++}$ および $2^{-+}$ 波は、二つの干渉するブレイト・ウィグナー形状でよく記述されており、両チャネルで位相差が整合的である。
• $1^{-+}$ 波の振幅と位相は、主に $a_2(1320)$ の寄与によって支配されており、波セットの完全性が向上すると負の反射波は消失する。
• モーメント比較のための $\Delta^2$ 統計量は、高波セットの方がデータとより良好に一致しており、フィッティング品質の向上とモデル依存性の低減を示している。
• 統計を 300万件の $\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$ および 260万件の $\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$ イベントに高めたにもかかわらず、$\pi_1(1600)$ や $J^{PC}=1^{-+}$ 異性子メソンの証拠は得られなかった。