[論文レビュー] Observation of sizeable $ω$ contribution to $χ_{c1}(3872) oπ^+π^-J/ψ$ decays

Aaij, Roel, Abdelmotteleb, Ahmed Sameh Wagih+1014 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、LHCb実験のpp衝突データ9 fb⁻¹を用いて、χc1(3872) → π⁺π⁻J/ψ崩壊における顕著なω寄与の初観測を報告している。この観測の有意水準は7.1σを超え、分岐率は(21.4 ± 2.3 ± 2.0)%である。二重にアンビンデッドなフィットを用いてπ⁺π⁻質量スペクトルにおけるρ⁰およびω共鳴状態を分離した結果、アイソスピン破れのχc1(3872) → ρ⁰J/ψ崩壊振幅は、純粋なcharm中間子状態の予想をはるかに上回り、6倍の大きさであることが判明した。

ABSTRACT

Resonant structures in the dipion mass spectrum from $χ_{c1}(3872) oπ^+π^- J/ψ$ decays, produced via $B^+ o K^+χ_{c1}(3872)$ decays, are analyzed using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment, corresponding to an integrated luminosity of 9 $fb^{-1}$. A sizeable contribution from the isospin conserving $χ_{c1}(3872) oωJ/ψ$ decay is established for the first time, $(21.4\pm2.3\pm2.0)\%$, with a significance of more than $7.1σ$. The amplitude of isospin violating decay, $χ_{c1}(3872) oρ^0 J/ψ$, relative to isospin conserving decay, $χ_{c1}(3872) oωJ/ψ$, is properly determined, and it is a factor of six larger than expected for a pure charmonium state.

研究の動機と目的

• χc1(3872) → ρ⁰J/ψ崩壊振幅がアイソスピン保存のχc1(3872) → ωJ/ψ崩壊に対してどの程度であるかを定量化すること。
• π⁺π⁻質量スペクトルにおけるρ⁰およびω寄与を分離することで、長年の疑問であるχc1(3872)共鳴状態の構造を解明すること。
• 純粋なcharm中間子状態の解釈に疑問を呈するため、アイソスピン破れとアイソスピン保存の結合強度比を測定することで、χc1(3872)状態の性質を検証すること。
• 高統計的サンプル（9 fb⁻¹）と高度な振幅モデルを用いて、ωおよびρ⁰寄与の精度を向上させること。
• 正確にω → π⁺π⁻J/ψチャネルを測定することで、アイソスピン破れ崩壊の強力な正規化を提供すること。

提案手法

• √s = 7, 8, 13 TeVのpp衝突データ9 fb⁻¹を用い、B⁺ → K⁺χc1(3872)崩壊を解析。χc1(3872)はπ⁺π⁻J/ψに崩壊し、J/ψはμ⁺μ⁻に崩壊する。
• 信号の収量を(mπ⁺π⁻J/ψ, mπ⁺π⁻)空間で二重にアンビンデッドなフィットにより解析。信号形状はグローバルフィットから固定し、背景形状はmπ⁺π⁻の各区間で変化させる。
• B⁺およびJ/ψの質量に運動的制約を適用し、頂点ずれを用いて組み合わせ的バックグラウンドを抑制する。
• 二重子質量スペクトルを、ρ⁰に対してGounaris–Sakurai共鳴形態因子、ωに対して単純なBreit–Wigner関数を用い、干渉効果を含む。
• 信号シミュレーションを用いて、mπ⁺π⁻依存の検出器解像度および再構成効率の補正を行う。
• 相殺フィット分率を計算するため、4000 MeVまでの状態空間を拡張し、gχc1(3872)→ρ⁰J/ψ / gχc1(3872)→ωJ/ψの比を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 χc1(3872) → π⁺π⁻J/ψ崩壊におけるω寄与の大きさは何か？
• RQ2 アイソスピン破れのχc1(3872) → ρ⁰J/ψ崩壊振幅は、アイソスピン保存のχc1(3872) → ωJ/ψ崩壊と比べてどの程度か？
• RQ3 観測されたρ⁰J/ψ振幅は、純粋なcharm中間子状態の期待値と整合しているか？
• RQ4 二重子質量スペクトルにおけるω共鳴の有意水準は何か？また、χc1(3872)崩壊ダイナミクスの解釈にどのように影響するか？
• RQ5 ρ⁰–ω干渉を分離して、信頼性のある分岐率比を抽出できるか？

主な発見

• χc1(3872) → ωJ/ψ崩壊は、7.8σの有意水準で初めて観測され、分岐率は(21.4 ± 2.3 ± 2.0)%である。
• 振幅比gχc1(3872)→ρ⁰J/ψ / gχc1(3872)→ωJ/ψは0.29 ± 0.04に測定され、well-establishedなcharm中間子状態ψ(2S)の0.045 ± 0.001と比較して、10倍以上も大きい。
• ρ′共鳴は3.1σの有意水準で観測され、ρ⁰に対する相対的生成振幅は0.302 ± 0.099である。
• フィットの適合度は非常に良好であり（χ²/NDoF = 24.8/32、p値 = 0.81）、ρ⁰、ω、ρ′寄与を含む振幅モデルの妥当性が裏付けられた。
• ρ⁰およびρ′の共役フィット分率はRρ+ρ′ = 0.780 ± 0.023であり、個別の分率はRρ = 0.833 ± 0.037およびRρ′ = 0.013 ± 0.008である。
• ω寄与はデフォルトモデルと整合しており、Rω = 0.221 ± 0.024およびRω/ρ = 0.028 ± 0.007である。これは、崩壊振幅において非可視的でない寄与が存在することを示している。