[論文レビュー] Partial-Wave Analysis of Centrally Produced Two-Pseudoscalar Final States in pp Reactions at COMPASS

A. Austregesilo|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2014

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、液体水素標的に190 GeV/cの陽子ビームを用いたCOMPASSにおけるpp衝突において、中心に生成された2ペクトル状態の部分波解析を提示している。アービトランスフォーメーションの数学的曖昧さを解消し、ブライト＝ヴァイナー共鳴状態と非共鳴成分を用いた質量依存性パラメータ化を採用することで、K⁺K⁻系のf₀(1370)、f₂(1270)、f₂′(1525)共鳴状態の主要寄与と強い干渉効果を明らかにした。

ABSTRACT

COMPASS is a fixed-target experiment at the CERN SPS which focused on light-quark hadron spectroscopy during the data taking periods in 2008 and 2009. A world-leading data set was collected with a 190GeV/c hadron beam impinging on a liquid hydrogen target in order to study, inter alia, the central exclusive production of glueball candidates in the light-meson sector. Especially the double-Pomeron exchange mechanism is well suited for the production of mesons without valence quark content. We select centrally produced systems with two pseudo-scalar mesons in the final state from the COMPASS data set recorded with an incoming proton. The decay of this system is decomposed in terms of partial waves, where particular attention is paid to the inherent mathematical ambiguities of the amplitude analysis. Furthermore, we show that simple parametrisations are able to describe the mass dependence of the fit results with sensible Breit-Wigner parameters.

研究の動機と目的

• COMPASSにおけるpp反応で中心に生成された2ペクトル状態の高精度な部分波解析を実施すること。
• 角運動量分解と多項式の根の解析を用いて、π⁺π⁻およびK⁺K⁻系におけるアービトランスフォーメーション解析の固有の数学的曖昧さを解消すること。
• 共鳴状態と非共鳴成分の物理的パラメータ化（動的幅を有するリラティビスティック・ブライト＝ヴァイナー関数と、指数減衰を施した2体の相空間成分）を用いて、部分波強度の質量依存性をモデル化すること。
• K⁺K⁻系における支配的共鳴状態とその干渉パターンを、特にスカラーおよびテンソル波チャンネルで同定すること。
• 複数の最終状態を統合的に分析することで、議論の多いスカラー中間子スペクトルを解消する基盤を提供すること。

提案手法

• 2つのペクトル状態の中心生成系であるπ⁺π⁻およびK⁺K⁻系に対して、10 MeV/c²の幅でインバリアント質量にわたる部分波解析（PWA）を実施する。
• 2ペクトル系の中心系フレームにおける崩壊生成物の角度分布をモデル化するため、拡張最大尤度推定法を適用し、球面調和関数を用いる。
• 角変数における4次多項式の根の解析的接続を用いて、S波、P波、D波に対して数学的に同値な8つの解のうち物理的解を特定する。
• 低質量域でのS波の優位性やしきい値行動といった物理的制約を用いて、K⁺K⁻解析における唯一の物理的解を選別する。
• 共鳴状態には相対論的ブライト＝ヴァイナー関数、非共鳴成分には指数減衰を施した2体相空間を用いて、質量依存強度をパラメータ化する。
• スピン密度行列要素の実部および虚部の両方にχ²フィットを施し、共鳴状態および非共鳴成分の物理的パrameterを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分波アービトランスフォーメーション解析における8つの数学的に同値な解のうち、π⁺π⁻およびK⁺K⁻系に対して物理的解として正しいものはどれか？
• RQ2 K⁺K⁻系における部分波強度の質量依存性を、物理的モデルを用いて正確にパラメータ化する方法は何か？
• RQ3 1.05 GeV/c²を超える領域において、K⁺K⁻系のS波およびD波振幅に顕著に寄与する共鳴状態は何か？
• RQ4 共鳴状態と非共鳴成分の間の干渉効果が、抽出された共鳴状態パラメータに及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ5 電荷付きおよび中性最終状態（例：π⁰π⁰、ηη、K₀ˢK₀ˢ）の統合的解析により、スカラー中間子領域の曇りを解消できるか？

主な発見

• K⁺K⁻系の物理的解は、しきい値でのS波の優位性と、φ(1020)共鳴状態を超えてP波強度が無視できるほど小さいことから、一意に特定可能である。
• K⁺K⁻系のD波強度は、f₂(1270)とf₂′(1525)の2つの共鳴状態でよく記述され、f₂(2150)状態の追加は不要である。
• S波には3つの共鳴状態が必要である：f₀(1500)、f₀(1710)、および広帯域のf₀(1370)で、強い干渉により非共鳴成分が支配的になる。
• f₀(1370)の共鳴強度は、非共鳴成分のパラメータ化に極めて敏感であり、分析しきい値未満のf₀(980)の影響を受ける可能性がある。
• D波のf₂(1270)パラメータとS波のf₀(1370)パラメータの間の大きな相関関係は、抽出されたブライト＝ヴァイナー関数パラメータに潜在的な系統的不確実性を示唆している。
• これまでにない高精度で抽出された位相関係と干渉パターンは、スカラー中間子スペクトルの解明に不可欠な情報を提供する。