[論文レビュー] Radiative decays of bottomonia into charmonia and light mesons

Y. Gao, Yu-Jie Zhang+1 more|ArXiv.org|Jan 1, 2007

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、非相対論的QCD（NRQCD）を用いて、ボトミオンの放射性崩壊を、チャームォニウムおよび軽いメソンへ、すなわち $\Upsilon\to\chi_{cJ}\gamma$、$\eta_b\to J/\psi\gamma$、$\Upsilon\to f_2(1270)\gamma$ に適用する。$\eta_b\to J/\psi\gamma$ の分岐比は $1\times10^{-7}$ と予測され、特に $J=1$ 状態および $\chi_{bJ}\to\rho(\omega,\phi)\gamma$ 崩壊において顕著なQED寄与が得られる。

ABSTRACT

In the framework of nonrelativistic QCD, we study the radiative decays of bottomonia into charmonia, including $Υ o χ_{cJ}γ$, $Υ o η_cγ$, $η_b o J/ψγ$, and $χ_{bJ} o J/ψγ$. We give predictions for their branching ratios with numerical calculations. E.g., we predict the branching ratio for $η_b o J/ψγ$ is about $1 imes 10^{-7}$. As a phenomenological model study, we further extend our calculation to the radiative decays of bottomonia into light mesons by assuming the $f_2(1270)$, $f_2'(1525)$ and other light mesons to be described by nonrelativistic $q\bar q ~(q=u,d,s)$ bound states with constituent quark masses. The calculated branching ratios for $Υ o f_2(1270)γ$ and $Υ o f_2'(1525)γ$ are roughly consistent with the CLEO data. Comparisons with radiative decays of charmonium into light mesons such as $J/ψ o f_2(1270)γ$ are also given. In all calculations the QED contributions are taken into account and found to be significant in some processes.

研究の動機と目的

• NRQCD因子分解を用いて、$\Upsilon\to\chi_{cJ}\gamma$ や $\eta_b\to J/\psi\gamma$ などのボトミオンの放射性崩壊を計算すること。
• NRQCDフレームワークを、$f_2(1270)$、$f_2'(1525)$ および他のメソンを、構成クォーク質量を用いた非相対論的 $q\bar{q}$ 状態としてモデル化することで、軽いメソンへの放射性崩壊へと拡張すること。
• 特に $J=1$ 状態および $\chi_{bJ}$ 崩壊を含む、これらの放射性崩壊におけるQED寄与の役割を評価すること。
• CLEOのデータおよびBESによる $J/\psi\to\gamma f_2$ のスピン分配に関する測定値と理論予測を比較すること。
• 排他的な重クォークonium遷移におけるNRQCD因子分解の有効性を検証し、特に $\eta_b$ の実験的探索のためのベンチマークを提供すること。

提案手法

• 短距離QCD振幅と長距離行列要素に分離する非相対論的QCD（NRQCD）因子分解を用いる。
• ボトミオンおよびチャームォニウムを、非相対論的波動関数を有する色 singlet 状態 $b\bar{b}$ および $c\bar{c}$ として取り扱う。
• クォーク-グルーオンループ図の完全な数値計算を実施し、クォークからの光子放出を通じてQED寄与を含める。
• 軽いメソン（$f_2(1270)$ や $f_2'(1525)$ など）を、$m_u=m_d=350$ MeV、$m_s=500$ MeV とする非相対論的 $q\bar{q}$ 結合状態として仮定する。
• 角運動量結合およびスピン状態振幅を用いて崩壊振幅を計算し、行列要素は $^{3}S_1$ および $^{3}P_J$ チャネルで評価する。
• CLEOおよびBESの実験データと照らし合わせて、理論的分岐比およびスピン分配パラメータを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NRQCDを用いた $\eta_b\to J/\psi\gamma$ および $\Upsilon\to\chi_{cJ}\gamma$ の分岐比は予測されるか？
• RQ2 ボトミオンのチャームォニウムおよび軽いメソンへの放射性崩壊におけるQED寄与はどの程度顕著か？
• RQ3 理論的予測である $\Upsilon\to f_2(1270)\gamma$ および $\Upsilon\to f_2'(1525)\gamma$ は、CLEOのデータとどの程度一致するか？
• RQ4 $J/\psi\to\gamma f_2(1270)$ のスピン分配は、理論とBESの測定値とどのように一致するか？
• RQ5 軽いメソンのモデル化における構成クォーク質量の選択に、結果はどの程度感度を示すか？

主な発見

• $\eta_b\to J/\psi\gamma$ の予測分岐比は $1\times10^{-7}$ であり、$\eta_b$ の実験的探索のためのベンチマークを提供する。
• 理論的分岐比 $\Upsilon\to f_2(1270)\gamma$ および $\Upsilon\to f_2'(1525)\gamma$ は、CLEOデータと良好に一致する。
• QED寄与は顕著であり、特に $J=1$ 状態では顕著：$\Upsilon\to\chi_{c1}\gamma$ では分岐比が2倍に変化する可能性がある。
• $\chi_{bJ}\to\rho(\omega,\phi)\gamma$ では、QED過程がQCD寄与を上回る可能性があり、強い電磁的効果を示唆する。
• スピン分配パラメータ $x$ および $y$ は、軽いクォーク質量に強く依存する。$m_u = m_d = M(1270)/2$ を用いると、$x=0.79$、$y=0.58$ が得られ、BESデータ（$x=0.89\pm0.10$、$y=0.46\pm0.17$）に近くなる。
• 理論的比 $BR(\Upsilon\to\gamma f_2)/BR(J/\psi\to\gamma f_2)$ は $0.013\sim0.036$ であり、実験的値 $0.072$ および $0.082$（それぞれ $f_2(1270)$ および $f_2'(1525)$）と整合する。