[論文レビュー] Light mesons and charm decays: New results from E791

C. Göbel|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、フェルミラボのE791実験から得られた高統計データを用いて、charm中間子崩壊のダリーツプロット解析を新たに実施し、軽いメソンのスペクトル構造を研究する。広がりのあるスカラー共振状態、特にD⁺→π⁻π⁺π⁺におけるσ(500)およびD⁺→K⁻π⁺π⁺におけるκ(800)の存在を示し、それらの質量と幅を測定するとともに、これらの崩壊が、分解能の低い他の実験とは対照的に、難解なスカラー中間子をより高い精度で探査する強力な実験的プラットフォームであることを示している。

ABSTRACT

We will discuss how the decays of charm mesons can be used to study light mesons spectroscopy, by presenting recent results of Dalitz plot analyses using data from Fermilab experiment E791. Emphasis will be on scalar mesons, which are found to have large contribution to the $D$ decays studied. In addition to the usual extraction of decay fractions and relative phases of the intermediate amplitudes, the Dalitz plot technique is used to measure masses and widths of scalar resonances. From the $D_s$ decay, we obtain masses and widths of $f_0(980)$ and $f_0(1370)$. We find evidence for a light and broad scalar resonance, the $σ$ meson, in $D^+ oπ^-π^+π^+$ decay. Preliminary studies also show evidence for a light and broad resonance, the $κ$ meson, in $D^+ o K^-π^+π^+$ decay. These results illustrate the potential of charm decays as a laboratory for the study of light mesons.

研究の動機と目的

• ダリーツプロット解析を用いて、軽いスカラー中間子のスペクトル的性質を調査すること。
• f₀(980)、f₀(1370)、σ(500)、κ(800)などのスカラー共振状態の性質やパラメータに関する長年の不確実性を解消すること。
• 他の実験では重ね合わさった共振状態や分解能の低さのため観測が困難な、広がりのある軽いスカラー共振状態の存在と性質を検証すること。
• 従来のモデルが失敗した非共鳴状態およびスカラー寄与を含む新しい共鳴状態を導入することで、ダリーツプロット分布の記述を改善すること。

提案手法

• E791の高統計データを用いて、D⁺→π⁻π⁺π⁺、Dₛ⁺→π⁻π⁺π⁺、D⁺→K⁻π⁺π⁺崩壊のダリーツプロット分布に対して、未事前化の最尤推定を実施する。
• 全振幅を、例えばρ⁰(770)π⁺、f₀(980)π⁺などの共鳴振幅と非共鳴寄与の重ね合わせとして構築し、それぞれを相対論的ブライト＝ヴァイナー形式とフォーム因子でパラメータ化する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、検出器の受容性と信号対背景比をダリーツプロット全体にわたってモデル化し、これらを尤度関数に組み込む。
• スカラー共振状態（例：σ、κ）の質量と幅を、事前の制約なしにフィット中に自由に動かすことで、それらの存在の検証とパラメータ抽出を可能にする。
• χ²/νと信頼水準を用いて、追加のスカラー状態を含むモデルと含まないモデルを比較し、フィットの良さを評価する。
• 代替モデル（ベクトル、テンソル、お手軽なブライト＝ヴァイナー）をテストし、データの不一致を説明するのにスカラー共振状態仮説が優れていることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 σ(500) や κ(800) などの広がりのある軽いスカラー共振状態が、D⁺→π⁻π⁺π⁺ および D⁺→K⁻π⁺π⁺ 崩壊に顕著に寄与しているか？
• RQ2 charm崩壊のダリーツプロット解析により、f₀(980) や f₀(1370) 共鳴状態の質量と幅を高精度で測定できるか？
• RQ3 D⁺→K⁻π⁺π⁺ 崩壊において、標準モデルのフィットと観測データとの間に見られる不一致は、新しい軽く広がりのあるスカラー共鳴状態の導入によって説明できるか？
• RQ4 新しいスカラー状態をフィットに含めた場合、K̄*₀(1430) や K̄*₂(1430) といった既知の共鳴状態のパラメータはどのように変化するか？

主な発見

• D⁺→π⁻π⁺π⁺ 崩壊において、σ(500) 共鳴状態が質量 500±30 MeV/c²、幅 400±60 MeV/c² で観測され、崩壊率のおよそ50%を占めている。
• D⁺→K⁻π⁺π⁺ 崩壊において、κ(800) 共鳴状態が質量 815±30 MeV/c²、幅 560±116 MeV/c² で観測され、崩壊率の20.7±5.4%を占めている。
• f₀(980) 共鳴状態は質量 980±10 MeV/c²、幅 40±10 MeV/c² で測定され、以前の測定と整合的だが、より高い精度で得られた。
• K̄*₀(1430) 共鳴状態は質量 1465±6 MeV/c²、幅 182±10 MeV/c² であり、以前のLASS測定と比較して顕著に狭く、重いことが判明した。
• κ(800) 状態の導入により、非共鳴成分の割合は103.9%から52.4%に低下し、フィット品質が向上し、χ²/νは2.7から0.9に低下し、信頼水準は79%に上昇した。
• κ(800) 状態を含むモデルは、代替モデル（ベクトル、テンソル、お手軽なブライト＝ヴァイナー）よりも顕著にデータと一致し、フィットにスカラー共鳴状態の導入が不可欠であることを確認した。