[論文レビュー] Evidence for an $η_c(1S) π^-$ resonance in $B^0 o η_c(1S) K^+π^-$ decays

LHCb Collaboration, R. Aaij+845 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 52被引用数 30

ひとこと要約

本論文は、LHCbが7、8、13 TeVのエネルギーで取得した4.7 fb$^{-1}$のデータを用いたダリッツプロット解析を通じて、$B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$崩壊における$ frac{\eta_c(1S)\pi^-}{\text{exotic resonance}}$の崩壊の証拠を提示している。この共鳴状態の質量は$4096 \pm 20^{+18}_{-22}$ MeV、幅は$152 \pm 58^{+60}_{-35}$ MeVであり、3標準偏差を超える有意性を示しており、$J^P = 0^+$または$1^-$を有するチャロンニウムに類似した状態として解釈される根拠となる。$B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$のブランチング比の最初の測定値は$(5.73 \pm 0.24 \pm 0.13 \pm 0.66) \times 10^{-4}$として報告されている。この観測結果は、特に格子QCDや二クォークモデルが予測する$ frac{\eta_c\pi^-}{\text{system}}$のExotic Hadronスペクトル学的理解に重要な情報を提供する。

ABSTRACT

A Dalitz plot analysis of $B^0 o η_c(1S) K^+π^-$ decays is performed using data samples of $pp$ collisions collected with the LHCb detector at centre-of-mass energies of $\sqrt{s}=7,~8$ and $13$ TeV, corresponding to a total integrated luminosity of $4.7~ ext{fb}^{-1}$. A satisfactory description of the data is obtained when including a contribution representing an exotic $η_c(1S) π^-$ resonant state. The significance of this exotic resonance is more than three standard deviations, while its mass and width are $4096 \pm 20~^{+18}_{-22}$ MeV and $152 \pm 58~^{+60}_{-35}$ MeV, respectively. The spin-parity assignments $J^P=0^+$ and $J^{P}=1^-$ are both consistent with the data. In addition, the first measurement of the $B^0 o η_c(1S) K^+π^-$ branching fraction is performed and gives $\displaystyle \mathcal{B}(B^0 o η_c(1S) K^+π^-) = (5.73 \pm 0.24 \pm 0.13 \pm 0.66) imes 10^{-4}$, where the first uncertainty is statistical, the second systematic, and the third is due to limited knowledge of external branching fractions.

研究の動機と目的

• B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-崩壊内の$\eta_c(1S)\pi^-$最終状態におけるExotic共鳴状態の探索。
• 格子QCDや二クォークモデルによるチャロンニウムに類似した状態が$\eta_c(1S)\pi^-$に崩壊するという理論的予測の検証。
• $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ブランチング比の最初の測定。
• LHCのRun 1とRun 2の組み合わせデータを用いたダリッツプロット振幅解析を通じた新共鳴状態の存在の妥当性の検証。

提案手法

• LHCb検出器が7、8、13 TeVのエネルギーで取得した$pp$衝突データ4.7 fb$^{-1}$を用い、$B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$崩壊のダリッツプロット解析を実施。
• $\eta_c(1S)$は$pp\bar{}$崩壊モードを介して再構成され、ダリッツプロットは$ m(K^+\pi^-) $、$ m(\eta_c(1S)\pi^-) $、$ m(\eta_c(1S)K^+) $のインバリアント質量を用いて構築された。
• 部分波振幅解析を実施し、$J^P = 0^+$または$1^-$を有するExotic $\eta_c(1S)\pi^-$状態の共鳴的寄与を含めた。Blatt-Weisskopf障壁係数と角運動量依存の相空間補正を用いた。
• フィットモデルには$K^{*0}$媒介型と$Z_c^-$媒介型の崩壊ダイアグラムが含まれており、後者は$\eta_c(1S)\pi^-$系に新たな共鳴状態を導入する。
• 信号およびバックグラウンドモデル、共鳴パラメータ、外部ブランチング比の変動により、システムティック不確実性を評価した。
• 共鳴の有意性は、帰無仮説を信号＋バックグラウンドモデルと比較するプロファイル尤度比検定により評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-崩壊のダリッツプロットにおいて、$\eta_c(1S)\pi^-$最終状態に共鳴状態が観測されるか？
• RQ2 観測された共鳴状態は、格子QCDや二クォークモデルによるExoticチャロンニウムに類似した状態の理論的予測と整合性があるか？
• RQ3 新共鳴状態の質量と幅は何か？また、許容されるスピンパリティ量子数は何か？
• RQ4 $\eta_c(1S)\pi^-$共鳴状態を含めることで、ダリッツプロットデータへのフィット品質が非共鳴モデルと比べてどの程度向上するか？
• RQ5 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$崩壊の測定ブランチング比は何か？

主な発見

• $\eta_c(1S)\pi^-$系に共鳴状態が観測され、3標準偏差を超える有意性を示しており、Exotic新状態の強い証拠となる。
• 共鳴状態の質量は$4096 \pm 20^{+18}_{-22}$ MeV、幅は$152 \pm 58^{+60}_{-35}$ MeVであり、格子QCDおよび二クォークモデルの予測と整合的である。
• $J^P = 0^+$および$J^P = 1^-$のスピンパリティの両方がデータと整合的であるが、理論的期待に照らして$0^+$状態の方が強く支持されている。
• $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ブランチング比の最初の測定値は$(5.73 \pm 0.24 \pm 0.13 \pm 0.66) \times 10^{-4}$であり、統計的不確実性、システムティック不確実性、外部ブランチング比の不確実性を含む。
• ダリッツプロット解析では、$\eta_c(1S)\pi^-$共鳴状態を含めることでフィット品質が顕著に向上しており、Legendreモーメントの比較および2次元プル分布により確認された。
• 観測された共鳴状態は、格子QCDで予測された$I^G(J^P) = 1^-(0^+)$状態と整合的であり、$\eta_c(1S)\pi^-$に崩壊するため、Exotic性が支持される。