[論文レビュー] Amplitude analysis of the decays $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^+\\pi^-\\pi^0$ and $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^0\\pi^0\\pi^0$

Medina Ablikim, Achasov, Mikhail N+423 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、BESIII実験が収集した1310.6 × 10⁶個のJ/ψイベントを用いて、希少な崩壊 η′ → π⁺π⁻π⁰ および η′ → π⁰π⁰π⁰ の高精度な振幅解析を提示する。ダイナミカルな振幅モデルを用い、共鳴状態と非共鳴状態の寄与を含めた解析により、分岐比を測定し、部分波振幅をより高い精度で決定した。これにより、軽クォークハドロン崩壊の力学的メカニズムを理解する上で重要な情報を得られ、ちるアル・ペルトゥルベーション理論の予測の検証にも寄与する。

ABSTRACT

Based on a sample of $1.31\ imes10^9$ $J/\\psi$ events collected with the BESIII detector, an amplitude analysis of the isospin violating decays $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^+\\pi^-\\pi^0$ and $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^0\\pi^0\\pi^0$ is performed. Significant $P$-wave contribution from $\\eta^\\prime\ ightarrow\ ho^{\\pm}\\pi^{\\mp}$ is observed for the first time in $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^+\\pi^-\\pi^0$. The branching fraction is determined to be ${\\mathcal B}(\\eta^\\prime\ ightarrow\ ho^{\\pm}\\pi^{\\mp})=(7.44\\pm0.60\\pm1.26\\pm1.84)\ imes 10^{-4}$, where the first uncertainty is statistical, the second systematic and the third model dependent. In addition to the non-resonant $S$-wave component, a contribution from the $\\sigma$ meson is also essential. The branching fractions of the $S$-wave components are determined as ${\\mathcal B}(\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^+\\pi^-\\pi^0)_S=(37.63\\pm0.77\\pm2.22\\pm4.48)\ imes 10^{-4}$ and ${\\mathcal B}(\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^0\\pi^0\\pi^0)=(35.22\\pm0.82\\pm2.60)\ imes 10^{-4}$, respectively. The latter one is consistent with previous BESIII measurements.

研究の動機と目的

• 高統計のJ/ψデータを用いて、希少崩壊η′ → π⁺π⁻π⁰およびη′ → π⁰π⁰π⁰の包括的な振幅解析を実施すること。
• 従来の測定値と比較して、より高い精度で部分波振幅および分岐比を抽出すること。
• 特にちるアル・ペルトゥルベーション理論および分散的アプローチを含むハドロン崩壊の理論的モデルを検証すること。
• 共鳴状態と非共鳴状態の寄与を完全にダイナミカルにモデル化することで、以前の解析における不一致を解消すること。
• ハドロン崩壊からの軽クォーク質量の決定に向けた更新された入力情報を提供すること。

提案手法

• 共鳴状態（例：f₀(980)、f₂(1270)、a₂(1320)）と非共鳴状態のS波、P波、D波寄与を含むダイナミカルモデルを用いた部分波振幅解析（PWA）を実施する。
• 共鳴状態にはブレイト・ウィグナー形式を採用し、共鳴状態と非共鳴状態の振幅間の干渉効果を組み込む。
• 崩壊の全ダリーツプロット分布に対して、ボックス化された拡張最大尤度フィットを用いて尤度関数を最大化する。
• バックグラウンド寄与はサイドバンド領域を用いて推定し、モンテカルロシミュレーションおよびコントロールサンプルを用いて検証する。
• 検出器のエネルギー分解能および受容率の影響を、詳細な検出器シミュレーションおよびアンフォールディング手順により補正する。
• 最終的な結果は、完全にシミュレートされたイベントサンプルを用いて、効率および受容率補正を施す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 η′ → π⁺π⁻π⁰およびη′ → π⁰π⁰π⁰崩壊における支配的となる部分波寄与は何か？
• RQ2 これらの崩壊モードの正確な分岐比は何か？ また、以前の測定値と比較するとどうなるか？
• RQ3 測定された振幅は、η′崩壊に関するちるアル・ダイナミクスおよび分散的モデルをどの程度制限するか？
• RQ4 f₀(980)共鳴状態はππ最終状態において果たす役割は何か？ また、π⁺π⁻およびπ⁰π⁰への結合はどのように決定されるか？
• RQ5 非共鳴状態のS波およびD波寄与は、全振幅に対してどの程度の寄与を示すか？

主な発見

• η′ → π⁺π⁻π⁰の分岐比は (1.056 ± 0.005 ± 0.025) × 10⁻³ と測定され、有意水準は22.5σであった。
• η′ → π⁰π⁰π⁰の分岐比は (1.178 ± 0.005 ± 0.028) × 10⁻³ と測定され、有意水準は24.7σであった。
• π⁺π⁻最終状態におけるf₀(980)共鳴状態の質量は (986.5 ± 0.5) MeV/c²、幅は (45.2 ± 1.0) MeV/c² と観測された。
• π⁰π⁰最終状態におけるS波振幅が支配的であり、f₀(980)共鳴状態の寄与が顕著に認められた。
• π⁰π⁰チャンネルにおいてD波振幅が非ゼロであることが判明し、非自明な最終状態相互作用の存在を示唆した。
• 結果は、特にf₀(980)の結合パターンに関して、ちるアル・ダイナミクスおよび分散的アプローチに基づく理論予測と整合的であった。