[論文レビュー] Production of $X(3872)$ Accompanied by a Pion in $B$ Meson Decay

Eric Braaten, Li-Ping He+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2019

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、$X(3872)$ meson が $B$ meson 衰変において pion を伴って生成される現象を、有効場理論（XEFT）を用いて検討し、$D^{*}\bar{D}^{*}$ 系からチャーム中間子の三角形特異性を介して形成される過程をモデル化する。$D^{*}\bar{D}^{*}$ 閾値付近に $X\pi$ 不変質量分布に狭いピークが予測され、$B^0 \to K^+X\pi^-$ の分岐比は $\sim 10^{-4}$ と推定され、$X(3872)$ が弱く結合したチャーム中間子分子であるという仮説の重要な実験的検証を提供する。

ABSTRACT

If the $X(3872)$ is a weakly bound charm-meson molecule, it can be produced by the creation of $D^{*0} \bar{D}^0$ or $D^{0} \bar{D}^{*0}$ at short distances followed by the formation of the bound state from the charm-meson pairs. It can also be produced by the creation of $D^{*} \bar{D}^*$ at short distances followed by the rescattering of the charm mesons into $X π$. We use results of a previous isospin analysis of $B$ meson decays into $K D^{(*)} \bar D^{(*)}$ to estimate the short-distance amplitudes for creating $D^* \bar D^*$. We use an effective field theory for charm mesons and pions called XEFT to calculate the amplitudes for rescattering of $D^{*} \bar{D}^*$ into $X π$ with small relative momentum. The $Xπ$ invariant mass distribution is predicted to have a narrow peak near the $D^{*} \bar{D}^*$ threshold from a charm-meson triangle singularity. We estimate the branching fractions into the peak from the triangle singularity for the decays $B^0 o K^+ X π^-$ and $B^+ o K^0 X π^+$.

研究の動機と目的

• $X(3872)$ が $B$ meson 衰変において pion を伴って生成される過程を、その性質を解明するためのプローブとして調査すること。
• $D^{*}\bar{D}^{*}$ の再散乱が $X\pi$ に至るという仮説を検証し、$X(3872)$ が弱く結合したチャーム中間子分子であるかを分析すること。
• 有効場理論とアイソスピン解析を用いて、$B \to KX\pi$ 衰変の分岐比を推定すること。
• チャーム中間子の三角形特異性に起因する特徴的なシグネチャ（狭いピーク）を特定し、分子的 $X(3872)$ モデルの実験的検証を可能とすること。

提案手法

• XEFT（X-EFT）を用いて、チャーム中間子とパイオンドンの低エネルギー力学を記述し、$X(3872)$ を弱く結合した状態として扱う。
• Poireau と Zito が提示した $B \to KD^{(*)}\bar{D}^{(*)}$ 衰変のアイソスピン解析を応用し、$D^{*}\bar{D}^{*}$ の生成に寄与する短距離振幅を抽出する。
• XEFT を用いて $D^{*}\bar{D}^{*}$ の再散乱が $X\pi$ に至る過程を計算し、小さな相対運動量と三角形特異性の効果に注目する。
• $X\pi$ の運動エネルギーに依存する微分分岐比を導出し、$D^{*}\bar{D}^{*}$ 閾値付近にピークが現れることを示す。
• 重いクォークスピン対称性によって制約される係数を用い、スピン三重項優勢仮定の下で分岐比を推定する。
• 予測された $X\pi$ ピーク位置を、$B^0 \to K^+X\pi^-$ と $B^+ \to K^0X\pi^+$ の場合に $\delta_0 = 7.0$ MeV および $\delta_1 = 5.9$ MeV と比較することで結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $X(3872)$ が $D^{*}\bar{D}^{*}$ 組み合わせの生成に続いて $X\pi$ への再散乱を経て $B$ meson 衰変で生成可能か？
• RQ2 $X\pi$ 不変質量分布にチャーム中間子の三角形特異性に起因する狭いピークが現れるか？
• RQ3 $B \to KX\pi$ 衰変における三角形特異性ピークへの予測分岐比は何か？
• RQ4 予測結果は $X(3872)$ の結合エネルギーと短距離生成振幅にどのように依存するか？
• RQ5 この過程は、分子的 $X(3872)$ モデルと他の解釈の間で決定的な実験的検証を可能にするか？

主な発見

• チャーム中間子の三角形特異性に起因し、$D^{*}\bar{D}^{*}$ 閾値付近に $X\pi$ 不変質量分布に狭いピークが予測される。
• ピークの位置は $B^0 \to K^+X\pi^-$ および $B^+ \to K^0X\pi^+$ の場合に $E_{X\pi} \approx 7.0$ MeV、$B^0 \to K^0X\pi^0$ および $B^+ \to K^+X\pi^0$ の場合に $E_{X\pi} \approx 5.9$ MeV である。
• $B^0 \to K^+X\pi^-$ の三角形特異性ピークへの分岐比の推定値は $\sim 10^{-4}$ であり、中性パイオンモードの上界も示される。
• 分岐比は $X(3872)$ の結合エネルギー $E_X$ の平方根に比例する傾向を示し、正確な質量に敏感であることが示唆される。
• $E_X \gtrsim 0.17$ MeV であれば、既存の Belle および BaBar データからも信号が観測可能であり、Belle II ではさらなる観測可能性が向上する。
• ピークの観測は、$X(3872)$ が弱く結合したチャーム中間子分子であるという強力な証拠を提供し、非分子的モデルを挑戦するものとなる。