[論文レビュー] High-statistics study of neutral-pion pair production in two-photon collisions

Belle Collaboration, I. Adachi|ArXiv.org|Oct 2, 2008

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 5

ひとこと要約

この高統計の研究では、Belle共同研究グループが223 fb$^{-1}$の$e^+e^-$衝突データを用いて、中心系エネルギー範囲0.6–4.1 GeVにおける中性π対の二光子生成断面積（$ \gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$）を測定した。解析では、3.1–4.1 GeV領域において断面積比$ \sigma(\pi^0\pi^0)/\sigma(\pi^+\pi^-) = 0.32 \pm 0.03 \pm 0.05$が得られ、これは一次元QCD予測を著しく上回っており、高次の部分波および$f_4(2050)$などの共鳴状態からの寄与が顕著であることを示している。

ABSTRACT

The differential cross section for the process $γγ o π^0 π^0$ has been measured in the kinematic range 0.6 GeV $< W < 4.1$ GeV, $|\cos θ^*|<0.8$ in energy and pion scattering angle, respectively, in the $γγ$ center-of-mass system. The results are based on a 223 fb$^{-1}$ data sample collected with the Belle detector at the KEKB $e^+ e^-$ collider. Using the data with $W > 1.4$ GeV, we obtain results on light-quark resonances and charmonia. We also compare the observed angular dependence and ratios of cross sections for neutral-pair and charged-pair production to QCD models. Differential cross sections are fitted in the energy region, $1.4 \GeV < W < 2.2 \GeV$, with a simple model where partial waves consist of resonances such as $f_2'(1525)$, $f_2(1950)$ and $f_4(2050)$ and smooth backgrounds. In the higher energy region, we observe production of the $χ_{c0}$ charmonium state and obtain the product of its two-photon decay width and the branching fraction to $π^0π^0$. The energy and angular dependences above 3.1 GeV are compatible with those measured in the $π^+π^-$ channel, and in addition we find that the cross section ratio, $σ(π^0π^0)/σ(π^+π^-)$, is $0.32 \pm 0.03 \pm 0.05$ on average in the 3.1-4.1 GeV region.

研究の動機と目的

• 高輝度$e^+e^-$衝突を用いて、広いエネルギー範囲における$\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$の微分断面積を正確に測定すること。
• 部分波振幅解析を用いて、$\pi^0\pi^0$最終状態の共鳴構造を2.2 GeV/$c^2$まで調査すること。
• $\pi^0\pi^0$生成のエネルギーおよび角度依存性を$\pi^+\pi^-$チャンネルと比較して、アイソスピン対称性およびQCDダイナミクスを調べること。
• $\chi_{c0}$ チャーモニウム状態の二光子幅と$\pi^0\pi^0$への分岐比の積を抽出すること。
• 高エネルギー領域における$\pi^0\pi^0$最終状態において、特にG波が果たす役割を評価すること。

提案手法

• データは、KEKB非対称エネルギー$e^+e^-$衝突加速器に設置されたBelle検出器を用いて収集され、統合した全断面積は223 fb$^{-1}$に相当する。
• 微分断面積は、中心系エネルギー$W$および$\pi^0\pi^0$静止系における極座標角$\theta^*$の関数として測定された。
• 1.4–2.2 GeV/$c^2$領域で部分波振幅解析が実施され、$f_2(1270)$、$f_2'(1525)$、$f_2(1950)$、$f_4(2050)$などの共鳴状態が含められた。$f_2(1270)$のパラメータはPDG値に固定された。
• $f_4(2050)$共鳴状態はG$_2$波振幅に含められ、G$_0$波はゼロに設定された。これは$W > 1.8$ GeVでG$_2$波の優位性が観測されたことによる。
• 断面積のエネルギー依存性$W^{-n}$を記述するためのフィットモデルが用いられ、3.1–4.1 GeV領域では$n \approx 4.5$となった。
• チャーモニウム寄与は推定され、$\pi^0\pi^0$および$\pi^+\pi^-$測定から差し引かれ、軽 quark のハドロン最終状態寄与を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心系エネルギー範囲0.6–4.1 GeVにおける$\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$断面積のエネルギーおよび角度依存性は何か？
• RQ2 特にG波が高エネルギー領域における$\pi^0\pi^0$生成にどのように寄与しているか？
• RQ3 3.1–4.1 GeV領域における$\sigma(\pi^0\pi^0)$と$\sigma(\pi^+\pi^-)$の比は何か？ また、QCD予測およびアイソスピン不変性と比べてどうか？
• RQ4 どの共鳴状態が$\pi^0\pi^0$最終状態に顕著な寄与をしているか？ 1.4–2.2 GeV/$c^2$領域におけるそれらの性質は何か？
• RQ5 $\chi_{c0}$ チャーモニウム状態の二光子幅と$\pi^0\pi^0$への分岐比の積は何か？

主な発見

• $\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$の微分断面積は、中心系エネルギー範囲0.6–4.1 GeVで高統計的精度で測定された。
• 3.1–4.1 GeV領域では、断面積が$W^{-n}$エネルギー依存性を示し、$n \approx 4.5$であった。これは$\pi^+\pi^-$チャンネルと整合的である。
• 3.1–4.1 GeV領域における断面積比$\sigma(\pi^0\pi^0)/\sigma(\pi^+\pi^-)$は$0.32 \pm 0.03 \pm 0.05$と測定され、一次元QCD予測を著しく上回っている。
• 1.8 GeV以上ではG$_2$波がG$_0$波を上回り、G$_2$部分波における$f_4(2050)$共鳴状態の強い寄与が示唆された。
• $f_2(Z)$共鳴状態（約1.5 GeV/$c^2$付近）を$f_2'(1525)$、$f_2(1950)$、$f_4(2050)$に加えて含めたフィットモデルは良好なフィット品質を示したが、$f_4(2050)$を省いた場合、不適切なフィットとなった。
• $\chi_{c0}$の二光子幅と$\pi^0\pi^0$への分岐比の積が抽出され、$\gamma\gamma$融合過程による生成が確認された。