[論文レビュー] Developments in heavy quarkonium spectroscopy

S. Eidelman, J.J. Hernandez+3 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2012

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 10

ひとこと要約

この論文は2010年から2012年の間に発表された重いクォーカーモニューム分光論における最近の実験的進展を要約しており、$h_{b}(1P)$、$h_{b}(2P)$、$\theta_{b}(10860)$、および$\bar{b}c$状態といった新しく観測された状態に焦点を当てている。主な成果には、$\theta_{b}(10860)$の二π中間子遷移による確認、$\theta_{b}$状態の精密な質量測定、LHCにおける$\bar{b}c$状態の初観測が含まれ、ベータモンおよび charmモン分光論の理解が著しく進展した。

ABSTRACT

We summarize recent developments in heavy quarkonium spectroscopy, relying on previous review articles for the bulk of material available prior to mid-2010. This note is intended as a mini-review to appear in the 2012 Review of Particle Physics published by the Particle Data Group.

研究の動機と目的

• 2010年以降の、これまでのレビューでカバーされていない重いクォーカーモニューム分光論における最近の実験的発展を要約すること。
• $h_{b}(1P)$、$h_{b}(2P)$、および$\theta_{b}(10860)$といった新しい通常クォーカーモニューム状態の発見と特徴付けを報告すること。
• LHCにおける$pp$衝突を通じて$\bar{b}c$状態の初観測を提示すること。$\bar{b}c \to \gamma \Upsilon(1S,2S)$の崩壊を通じて検出された。
• $\theta_{b}(10860)$および$\theta_{b}(10890)$状態の質量および分岐比測定値を、$\beta(5S)$および$\beta(3S)$崩壊からの二π中間子遷移を用いて精緻化すること。
• $\theta_{b}(10860)$の世界平均質量およびハイパーファイン分裂を、Belleおよびバリオン-アンチバリオン実験からの新規データを統合することで改善すること。

提案手法

• BESIII、Belle、CLEO、Bファクトリー、ATLAS実験のデータを用い、インヴァリアント質量再構築とピークフィッティングにより新規クォーカーモニューム状態を同定した。
• ダリッツプロット解析を適用し、${{\rm \bar{b}c}} \to \pi^+ \pi^- \Upsilon(1S)$および${{\rm \bar{b}c}} \to \pi^+ \pi^- \Upsilon(2S)$遷移を分析し、$Z_b^+$状態に一致する共鳴構造を同定した。
• $\pi^+ \pi^-$最終状態の角度解析を実施し、量子数を決定した。$Z_b^+$状態に対して$J^P = 1^+$が支持され、負の$G$-パリティが確認された。
• $\Upsilon(1S)$および$\Upsilon(2S)$を$\mu^+ \mu^-$崩壊を通じて再構築し、光子と組み合わせて$pp$衝突における$\chi_{bJ}(nP)$状態を同定した。$\sqrt{s} = 7$ TeVの条件下で実施された。
• $e^+e^-$および$pp$衝突データを用い、リコイル質量解析により$\eta_b(1S)$の質量および$h_b(1P) \to \gamma \eta_b(1S)$の分岐比を抽出した。
• 逆二乗誤差加重平均法を用い、$\chi^2$に基づく不確実性の拡張を組み合わせて、複数の実験的測定値を統合し、世界平均値を改善した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しい観測された$ h_{b}(1P) $および$ h_{b}(2P) $状態の性質は何か？
• RQ2 $\Upsilon(5S)$崩壊から観測された$ Z_b^+ $状態は、$ J^P = 1^+ $および負の$ G $-パリティを持つ分子状態として一貫して記述可能か？
• RQ3 $ h_b(1P) \to \gamma \eta_b(1S) $遷移の質量および分岐比は何か？また、ハイパーファイン分裂に与える影響は？
• RQ4 LHCにおける$ pp $衝突で観測される$ \chi_{bJ}(3P) $状態はどのように現れるか？また、ベータモン分光論の文脈でどのような意味を持つか？
• RQ5 $\Upsilon(5S)$崩壊における$\theta_b$状態の役割は何か？また、異なる実験間で質量および幅を比較するとどうなるか？

主な発見

• $h_{b}(1P)$状態はBelleが$\Upsilon(5S) \to \pi^+ \pi^- h_b(1P)$において5.5 $\sigma$の有意性で観測され、存在が確認され、$J^{PC} = 1^{+-}$に割り当てられた。
• $h_{b}(2P)$状態はBelleが$\Upsilon(5S) \to \pi^+ \pi^- h_b(2P)$において11.2 $\sigma$の有意性で観測され、新しい励起したベータモン状態として確立された。
• $\theta_{b}(10860)$状態は$\Upsilon(5S)$からの二π中間子遷移により確認され、質量は$10860 \pm 2$ MeV、幅は$15 \pm 2$ MeVであり、$J^P = 1^+$に一致する。
• $\theta_{b}(10890)$状態は質量$10890 \pm 2$ MeV、幅$12 \pm 2$ MeVで観測され、$J^P = 1^+$および負の$G$-パリティと一致する。
• $\eta_b(1S)$の質量はBelleによって$9391.0 \pm 2.8$ MeVと測定され、$h_b(1P) \to \gamma \eta_b(1S)$の分岐比は$(49.8 \pm 6.8^{+10.9}_{-5.2})\%$であった。これにより、世界平均のハイパーファイン分裂が約5 MeV低下した。
• $\chi_{bJ}(3P)$三重項はLHCのATLAS実験により$pp$衝突（$\sqrt{s} = 7$ TeV）で観測され、非変換および変換光子の両方で6 $\sigma$を超える有意性を示した。これはこの状態の初観測を示している。