[論文レビュー] Hadron Spectroscopy Results from Belle

A. Zupanc|ArXiv.org|Oct 18, 2009

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、KEKBにおけるBelle実験から得られた最新のハドロン分光論的結果を提示しており、$XYZ$中間子状態およびそれらの $s\overline{s}$ と $b\overline{b}$ 対応状態に焦点を当てている。960 fb$^{-1}$ のデータ標本を用いて、Belleは $X(3872)$、$X(3915)$、$Y(4260)$、$Y(4660)$、$Y_b(10890)$ といった新しい状態を観測した。特に $Y_b(10890)$ は、10,890 MeV における $1^{--}$ 共鳴状態として、幅 55 MeV を示しており、$Y(4260)$ 状態の $b\overline{b}$ 対応状態である可能性を示唆している。

ABSTRACT

We report on the most recent experimental progress on $XYZ$ charmoniumlike meson states and their possible counterparts in the $s\overline{s}$ and $b\overline{b}$ systems.

研究の動機と目的

• 3.9–4.7 GeV の領域におけるチャーム中間子状態の近傍で、新しいExoticハドロン状態、特に $XYZ$ メソンを同定・特徴付けること。
• 特に $B$ 中間子崩壊および $e^+e^-$ 衝突において、それらの状態の量子数、崩壊モード、生成メカニズムを分析することで、その性質を解明すること。
• $XYZ$ 状態の $s\overline{s}$ および $b\overline{b}$ 対応状態の探索と研究、特に $Y_b(10890)$ 共鳴状態を含めること。
• 四クォーク状態、分子状態、ハイブリッド状態といったExoticハドロン理論モデルを、実験データと予測を比較することで検証すること。
• $X(3915)$ や $Y(3940)$ の解釈に生じる矛盾を解消するため、複数の崩壊チャネルおよび生成モードでそれらの性質を測定すること。

提案手法

• KEKB $e^+e^-$ コライダーが $\sqrt{s} \approx$ 10.58 GeV で運転している状態、$\Upsilon(4S)$ 共鳴状態に対応する 960 fb$^{-1}$ のデータ標本を収集した。
• Belle検出器の高精度なトラッキング、粒子同定（$dE/dx$、TOF、ACC）、および電磁カルシウメータを用いて、崩壊頂点および最終状態を再構築した。
• $J/\psi \pi^+\pi^-$、$\omega J/\psi$、$D\bar{D}^*$、$\Lambda_c^+\Lambda_c^-$、$\pi^+\pi^-\Upsilon(nS)$ などの崩壊チャネルにおいて、共鳴状態を同定するための振幅解析およびインバリアント質量フィットを実施した。
• $e^+e^- \to \pi^+\pi^-\Upsilon(nS)$ のエネルギー依存的断面積を測定し、10.899 GeV 付近の共鳴構造を同定した。
• 新しい共鳴状態 $Y_b(10890)$ の質量および幅を抽出するために、$\pi^+\pi^-\Upsilon(nS)$ 断面積を共通のブレイト・ウィーナー関数でフィットした。
• 既知の $\Upsilon(5S)$ および $\Upsilon(6S)$ 状態のパラメータと比較することで、標準的な $b\overline{b}$ 解釈が除外されることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $X(3872)$ 状態の性質は何か？ なぜ $B^0 \to K^+\pi^-X(3872)$ において、$K^{*0}$ に比べて非共鳴的 $K^+\pi^-$ 崩壊が優勢に現れるのか？
• RQ2 $X(3915)$ 状態が、通常のチャーム中間子の期待とは反して $\omega J/\psi$ への大きな部分幅を示すのはなぜか？
• RQ3 $Y_b(10890)$ 状態は $Y(4260)$ の $b\overline{b}$ 対応状態か？ あるいは終状態相互作用や四クォーク状態によって生じるのか？
• RQ4 $\pi^+\pi^-J/\psi$ および $\pi^+\pi^-\psi'$ 最終状態で観測された $Y(4260)$、$Y(4350)$、$Y(4660)$ 状態は、1つの共鳴状態か、それとも複数の状態か？
• RQ5 $Y(4660)$ の質量付近で $e^+e^- \to \Lambda_c^+\Lambda_c^-$ に顕著なしきい値増幅が観測されるのはなぜか？ これは状態の構造に何を示唆するか？

主な発見

• $X(3872)$ 状態は、質量 $3871.4 \pm 0.6$ MeV、幅 2.3 MeV 未満で観測され、$B \to KX(3872)$ および $\pi^+\pi^-J/\psi$ 崩壊モードの両方で一貫している。
• $X(3915)$ 状態は $\gamma\gamma \to \omega J/\psi$ で観測され、質量 $3914 \pm 4$ MeV、幅 $28^{+12}_{-14}$ MeV であり、BaBar の $Y(3940)$ 観測と整合的である。
• $Y_b(10890)$ 状態は、中心系エネルギー 10.899 GeV において $\pi^+\pi^-\Upsilon(nS)$ 最終状態で観測され、質量 $10,889.6 \pm 1.8$ MeV、幅 $54.7^{+8.5}_{-7.2}$ MeV を示した。
• $Y_b(10890)$ 共鳴状態は、PDG の $\Upsilon(5S)$ や $\Upsilon(6S)$ のパラメータでは記述されず、$\Upsilon(5S)$ とは明確に異なる新しい状態であることが示された。
• $Y(4660)$ 状態は $e^+e^- \to \pi^+\pi^-\psi'$ で観測され、質量 $4664 \pm 12$ MeV、幅 $48 \pm 15$ MeV であり、$\Lambda_c^+\Lambda_c^-$ へのしきい値に類似した増幅を示した。
• 質量がそれぞれ $4051^{+24}_{-23}$、$4248^{+185}_{-45}$、$4433 \pm 5$ MeV の3つの荷電 $Z$ 状態—$Z(4050)$、$Z(4250)$、$Z(4430)$—が報告され、すべて $\pi^\pm \chi_{c1}$ 最終状態を介して崩壊しており、Exotic $c\overline{c}u\overline{d}$ 組成を示唆している。