[論文レビュー] First Observation of Upsilon(1D) States

S. E. Csorna, Collaboration, CLEO|ArXiv.org|Jul 24, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、$\Upsilon(3S)$共鳴状態からの4光子連鎖崩壊経路を通じて、$\Omega(1D)$状態の初回観測を報告している。有意水準は9.7標準偏差である。測定された包含的生成分岐比は$(3.3 \pm 0.6 \pm 0.5) \times 10^{-5}$であり、理論的予測と非常に良好に一致している。また、$10162.2 \pm 1.6$ MeV/$c^2$のエネルギーで$6.8\sigma$の信号が観測され、これは$\Upsilon(1D_2)$状態と特定された。

ABSTRACT

The CLEO III experiment has recently accumulated a large statistics sample of 4.73 x 10^6 Upsilon(3S) decays. We present the first evidence for the production of the triplet Upsilon(1D) states in the four-photon cascade, Upslion(3S) -> gamma chi_b(2P), chi_b(2P) -> gamma Upsilon(1D), Upsilon(1D) -> gamma chi_b(1P), chi_b(1P) -> gamma Upsilon(1S), followed by the Upsilon(1S) annihilation to e+ e- or mu+ mu-. The signal has a significance of 9.7 standard deviations. The measured product branching ratio for these five decays, (3.3 +- 0.6 +- 0.5) x 10^{-5}, is consistent with the theoretical estimates. We see a 6.8 standard deviation signal for a state with a mass of 10162.2 +- 1.6 MeV/c^2, consistent with the Upsilon(1D_2) assignment. We also present improved measurements of the Upsilon(3S) -> pi0 pi0 Upsilon(1S) branching ratio and the associated di-pion mass distribution.

研究の動機と目的

• 長年にわたり理論的予測はなされてきたが、未だ観測されていなかった$L=2$のクォーカー状態、具体的には$\Upsilon(1D)$トリプレットの観測を目的とする。
• $\Upsilon(1D)$状態の質量と分岐比について、ポテンシャルモデルおよびQCDに基づく計算の予測を検証することを目的とする。
• $\Upsilon(3S)$からの希少な4光子連鎖崩壊経路における、$\Upsilon(1D)$状態の包含的生成率を測定することを目的とする。
• 反動質量および運動論的フィッティング技術を用いて、観測された$\Upsilon(1D)$状態の量子数と質量を特定することを目的とする。

提案手法

• CLEO III実験が得た$4.73 \times 10^6$件の$\Upsilon(3S)$崩壊の高統計的サンプルを用い、$\Upsilon(3S) \to \gamma \chi_b(2P) \to \gamma \Upsilon(1D) \to \gamma \chi_b(1P) \to \gamma \Upsilon(1S) \to l^+l^-$という4光子連鎖崩壊を探索した。
• 高エネルギー光子2本（$\Upsilon(1D) \to \gamma \chi_b(1P)$由来）と低エネルギー光子2本（$\chi_b(1P) \to \gamma \Upsilon(1S)$由来）を有するイベントを選別し、その後に$\Upsilon(1S)$が$e^+e^-$または$\mu^+\mu^-$に崩壊するのを確認した。
• 2つの最低エネルギー光子に対する反動質量を用いた運動論的フィッティングを行い、$\Upsilon(1D)$状態を再構築し、$\pi^0$崩壊からのバックグラウンドを抑制した。
• 理論的期待値に基づいてピーク位置を固定した2ピークフィットを用いて、複数の$\Upsilon(1D)$状態の存在を探索した。
• 重み付き平均を用いて$\Upsilon(1D_2}$と$\Upsilon(1D_3}$の検出効率を計算し、これらの値の差異から系統的誤差を推定した。
• $\chi^2_{1D}$分布をフィッティングして$\Upsilon(1D)$信号イベント数を抽出し、包含的生成分岐比を算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\Upsilon(3S)$からの4光子連鎖崩壊経路において、$\Upsilon(1D)$状態の存在に根拠があるか？
• RQ2 $\Upsilon(3S) \to \gamma \chi_b(2P) \to \gamma \Upsilon(1D) \to \gamma \chi_b(1P) \to \gamma \Upsilon(1S) \to l^+l^-$という崩壊系列の包含的生成分岐比は何か？
• RQ3 観測された$\Upsilon(1D)$状態の質量と量子数は何か？また、複数の状態が存在する証拠はあるか？
• RQ4 測定された分岐比と質量は、ポテンシャルモデルによる理論的予測とどのように一致するか？

主な発見

• $\Upsilon(3S)$からの4光子連鎖崩壊経路において、$\Upsilon(1D)$状態の生成に対して9.7標準偏差の信号が観測された。
• 全体の崩壊系列の包含的生成分岐比は$(3.3 \pm 0.6 \pm 0.5) \times 10^{-5}$と測定され、理論的予測の$3.76 \times 10^{-5}$と良好に一致した。
• $10162.2 \pm 1.6$ MeV/$c^2$のエネルギーに$6.8\sigma$の信号が観測され、これは$\Upsilon(1D_2)$状態と特定された。理論的には$J_{1D}=1$の仮説は強く否定されている。
• $10174$ MeV/$c^2$付近に第二の$\Upsilon(1D)$状態が強く存在しない証拠は得られなかった。2ピークフィットは単一ピークモデルよりも信号を著しく改善しなかった。
• $\Upsilon(1D)$信号の検出効率は$(13.2 \pm 1.0)\%$と推定され、系統的誤差は$\Upsilon(1D_2}$と$\Upsilon(1D_3}$の検出効率の差異から導出された。
• 測定された質量は、ポテンシャルモデルの重心予測と一致しており、$J_{1D}=2$状態の期待される質量とも整合的である。