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

The Belle Collaboration, K. Abe|ArXiv.org|Nov 13, 2007

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、KEKのBelle実験を用いて、中心系エネルギー範囲 0.60–4.0 GeV における二光子融合による中性パイオン対生成 ($\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$) の測定を報告する。著者らは顕著な $f_0(980)$ 共鳴状態を観測し、$\chi_{c0}$ および $\chi_{c2}$ の二光子崩壊幅と分支比の積を測定した。その結果、$\Gamma_{\gamma\gamma}(\chi_{c0}){\cal B}(\chi_{c0}\to\pi^0\pi^0) = 8.4 \pm 2.2$ eV（4.5$\sigma$の有意性）が得られ、アイソスピン不変理論の予測と整合的である。

ABSTRACT

The differential cross section of the process gamma gamma -> pi^0 pi^0 has been measured in the kinematical range 0.6 GeV < W < 4.0 GeV and |cos theta*|<0.8 in energy and pion scattering angle, respectively, in the gamma gamma center-of-mass system. We find at least four resonant structures including a peak from f_0(980). In addition, there is evidence for chi_{c0} production. We also make a preliminary discussion of the angular dependence and cross section ratio to gamma gamma -> pi^+ pi^-.

研究の動機と目的

• 中心系エネルギー $W$ の 0.60–4.0 GeV の範囲における $\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$ の微分断面積を測定すること。
• 特に $f_0(980)$ 状態を含む $\pi^0\pi^0$ 二体質量スペクトルにおける共鳴構造を同定すること。
• $\chi_{c0}$ および $\chi_{c2}$ が $\pi^0\pi^0$ に崩壊する際の二光子崩壊幅と分支比の積を抽出し、アイソスピン不変性を検証すること。
• 断面積の角度依存性とそのエネルギー依存性、特に $W \sim 2.0$ GeV 付近での変化を調べること。
• $\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$ と $\gamma\gamma \to \pi^+\pi^-$ の断面積比を測定し、高エネルギー領域におけるQCDダイナミクスを探る。

提案手法

• 分析には、$\sqrt{s} \approx 10.58$ GeV で運転するKEKの $e^+e^-$ コライダーで取得されたBelle検出器のデータが使用された。
• イベントは、二つの光子が $e^+e^-$ 対に変換され、$\pi^0$ 候補はその二光子崩壊生成物から同定された。
• $\pi^0\pi^0$ 二体質量分布は、共鳴状態（$f_0(980)$、$\chi_{c0}$、$\chi_{c2}$）からの信号成分と、$W^{-n}$ でモデル化された滑らかな背景成分を用いてフィットされた。
• 角度分布は $\gamma\gamma$ の中心系フレームで分析され、前向き/後向き放射を特徴付ける $\cos\theta^*$ が用いられた。
• 統計的および系統的不確かさを含めた収量と $\Gamma_{\gamma\gamma}(\chi_{cJ}){\cal B}(\chi_{cJ}\to\pi^0\pi^0)$ の抽出のため、フィットが実行された。
• $|\cos\theta^*| < 0.6$ の条件下で、3 GeV領域における $\sigma(\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0)/\sigma(\gamma\gamma \to \pi^+\pi^-)$ の断面積比が測定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.60–4.0 GeV 範囲における $\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$ 断面積のエネルギーおよび角度依存性は何か？
• RQ2 $\gamma\gamma フュージョン過程における $\chi_{c0}$ および $\chi_{c2}$ が $\pi^0\pi^0$ に崩壊する際の顕著なシグナルは存在するか？
• RQ3 $\pi^0\pi^0$ 最終状態の角度分布は、中心系エネルギーの上昇に伴いどのように変化するか、特に 2.0 GeV 付近でどうなるか？
• RQ4 $\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$ と $\gamma\gamma \to \pi^+\pi^-$ の断面積比は何か？ これはQCD予測とどう異なるか？
• RQ5 測定された $\Gamma_{\gamma\gamma}(\chi_{c0}){\cal B}(\chi_{c0}\to\pi^0\pi^0)$ は、アイソスピン不変性を仮定した場合、$\chi_{c0} \to \pi^+\pi^-$ のデータに基づく予測と一致するか？

主な発見

• 統計的に有意な $\chi_{c0} \to \pi^0\pi^0$ シグナルが 4.5$\sigma$ の有意水準で観測され、二光子幅と分支比の積は $8.4 \pm 2.2$ (統計) $\pm 0.8$ (系統的) eV として測定された。
• $\Gamma_{\gamma\gamma}(\chi_{c2}){\cal B}(\chi_{c2}\to\pi^0\pi^0)$ について、90%信頼水準で 0.75 eV 以下の上限が設定され、顕著なシグナルの欠如と整合的であった。
• $\pi^0\pi^0$ 二体質量スペクトルには、$f_0(980)$ 共鳴状態に一致する顕著なピークが観測された。
• $W \sim 2.0$ GeV で、微分断面積の角度依存性に変化が見られ、前向きへの強化がエネルギー上昇に伴い強まり、前向き方向にシフトした。
• 3 GeV領域における $\sigma(\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0)$ と $\sigma(\gamma\gamma \to \pi^+\pi^-)$ の比は約 0.3–0.4 に測定され、最低位のQCD予測を上回った。
• アイソスピン不変性を適用した場合、$\pi^0\pi^0:\pi^+\pi^- = 1:3$ の分支比比を仮定すると、測定された $\Gamma_{\gamma\gamma}(\chi_{c0}){\cal B}(\chi_{c0}\to\pi^0\pi^0)$ は、世界平均値と良好に一致した。