[論文レビュー] Amplitude analysis of the $ {D}_s^{+} $→ π$^{−}$π$^{+}$π$^{+}$ decay

LHCb collaboration, Aaij, R.+1070 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、LHCb実験が取得した $√{s} = 8$ TeV の $pp$ 衝突データ 1.5 fb$^{-1}$ を用いて、$ D_s^+ \to \pi^-π^+π^+ $ 衰退の準モデル独立な部分波振幅解析を実施した。解析により、$ \pi^+\pi^- $ S波振幅が支配的であり、スピン-2およびスピン-1共鳴状態からの顕著な寄与が観察された。特に、$ D_s^+ \to \omega(782)\pi^+ $ チャネルの初観測がなされ、$ D^+ \to \pi^-π^+π^+ $ 衰退との比較を通じてハドロン形成メカニズムに関する知見が得られた。

ABSTRACT

A Dalitz plot analysis of the $D_s^+ o π^- π^+ π^+$ decay is presented. The analysis is based on proton-proton collision data recorded by the LHCb experiment at a centre-of-mass energy of $8$ TeV and corresponding to an integrated luminosity of $1.5 fb^{-1}$. The resonant structure of the decay is obtained using a quasi-model-independent partial-wave analysis, in which the $π^+π^-$ S-wave amplitude is parameterised as a generic complex function determined by a fit to the data. The S-wave component is found to be dominant, followed by the contribution from spin-2 resonances and a small contribution from spin-1 resonances. The latter includes the first observation of the $D_s^+ o ω(782) π^+$ channel in the $D_s^+ o π^- π^+ π^+$ decay. The resonant structures of the $D_s^+ o π^- π^+ π^+$ and $D^+ o π^- π^+ π^+$ decays are compared, providing information about the mechanisms for the hadron formation in these decays.

研究の動機と目的

• 準モデル独立な部分波解析を用いて、$ D_s^+ \to \pi^-π^+π^+ $ 衰退の共鳴構造を特定すること。
• 特定の共鳴状態モデルに制約されない形で、$ \pi^+\pi^- $ S波振幅を測定すること。
• $ D_s^+ \to \pi^-π^+π^+ $ の共鳴構造を $ D^+ \to \pi^-π^+π^+ $ と比較し、ハドロン形成メカニズムの違いを解明すること。
• 非レプトン的charmメソン崩壊におけるメソン-メソン相互作用の役割、特にスカラーおよびテンソル共鳴状態の力学的性質を調査すること。

提案手法

• 準モデル独立な部分波解析を実施し、$ \pi^+\pi^- $ S波振幅を一般化された複素関数としてパラメータライズし、直接ダリーツプロットデータにフィットした。
• 解析には、LHCb実験が取得した $\sqrt{s} = 8$ TeV の $pp$ 衝突データ 1.5 fb$^{-1}$ を使用した。
• 共鳴的寄与をS波、P波、D波に分離し、スピン-2およびスピン-1共鳴状態を振幅モデルに含めた。
• S波振幅は特定の共鳴構造を仮定せず抽出されたため、$ \pi^+\pi^- $ 相互作用のダイナミクスをモデルフリーに決定可能となった。
• 検出器効果および受容率を考慮した、多数のモンテカルロシミュレーションを通じて振幅モデルの妥当性を検証した。
• バッチド最尤法を用いたフィットを行い、システムティック不確実性はデータ駆動型手法で評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $ D_s^+ \to \pi^-π^+π^+ $ 衰退において、特に $ \pi^+\pi^- $ S波チャンネルで支配的となる共鳴構造は何か？
• RQ2 $ D_s^+ \to \pi^-π^+π^+ $ 衰退において、スピン-2およびスピン-1共鳴状態の寄与はどのように比較できるか？
• RQ3 $ D_s^+ \to \pi^-π^+π^+ $ において $ \omega(782)\pi^+ $ 最終状態が観測されるか？ これは $ \pi^+\pi^- $ S波ダイナミクスにどのような意味を持つか？
• RQ4 $ D_s^+ \to \pi^-π^+π^+ $ の共鳴構造は、$ D^+ \to \pi^-π^+π^+ $ と比較してどのように異なるか？ これによりcharm崩壊におけるハドロン化ダイナミクスの違いが明らかになるか？
• RQ5 $ \pi^+\pi^- $ S波における $ f_0(980) $ 共鳴状態の役割は何か？ また、データはこの共鳴状態をどのように制約しているか？

主な発見

• $ D_s^+ \to \pi^-π^+π^+ $ 衰退において、$ \pi^+\pi^- $ S波振幅が全崩壊振幅の 84.97 ± 0.14% を占め、支配的成分であった。
• スピン-2共鳴状態は全振幅の 13.12 ± 0.02% を寄与し、$ f_2(1270) $ および $ f_2'(1430) $ の領域に顕著な構造が観測された。
• スピン-1共鳴状態は全振幅の 8.55 ± 0.44% を寄与し、$ D_s^+ \to \omega(782)\pi^+ $ 衰退チャンネルの初観測がなされた。
• $ D_s^+ \to \pi^-π^+π^+ $ 衰退ではS波分率が著しく高く（84.97%）、これに対して $ D^+ \to \pi^-π^+π^+ $ では61.82%であったため、ハドロン化ダイナミクスが異なることが示された。
• 振幅モデルはダリーツプロット分布を良好に記述しており、S波の位相および振幅は $ \pi^+\pi^- $ 閾値付近で顕著に増幅されていた。
• $ D^+ \to \pi^-π^+π^+ $ との比較により、$ D_s^+ $ と $ D^+ $ の両方で同じ最終状態を持つにもかかわらず、初期のクォークレベル遷移が異なるため、$ \pi^+\pi^- $ S波ダイナミクスが異なることが明らかになった。