[論文レビュー] The Saga of $h_c$ and $h_b$ Search in Heavy Quarkonia

T. Barnes, T. E. Browder+1 more|ArXiv.org|Aug 5, 2004

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、charmおよびbottomのクォーカー状態における $h_c$ および $h_b$ 状態の実験的・理論的状況を批判的にレビューし、E760、E835、CLEO、BABAR、BELLEのデータに焦点を当てる。E760が観測した $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0$ の崩壊モードは、$M_{\pi\pi}$ 切断に欠陥があるため、抑制されている可能性が高く、$\gamma\gamma$ 衝突および $B \to h_c K/K^*$ 崩壊を用いた改善された探索戦略が、$\gamma\eta_c$ および $\gamma\eta_b$ 最終状態を通じて $h_c$ および $h_b$ を検出するのに有効であると提言する。

ABSTRACT

In this brief review, we examine carefully and critically the status of search for the $h_c$ [$ψ(1^1P_1)$] charmonium state and the $h_b$ [$Υ(1^1P_1)$] bottonium state, initiated by the E760 experiment. Recent experimental studies at CLEO/BABAR/BELLE are examined in the light of new theoretical and phenomenological understanding.

研究の動機と目的

• E760による $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0$ の観測に疑問を呈する実験的証拠を再評価すること。
• $\psi(1^1P_1) \to p\bar{p}$ および $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi\pi$ 崩壊率における理論的予測と実験的測定の不一致を解消すること。
• $\gamma\gamma$ 衝突および $B$-メソン崩壊を用い、$\gamma\eta_c$ および $\gamma\eta_b$ 最終状態を通じて $h_c$ および $h_b$ を検出するための改善された検出戦略を提言すること。
• CLEOおよびBESのデータを用いて、$\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi$ 崩壊に対するKuang-Yan多重極モデルの妥当性を評価すること。
• チャームおよびボトムのクォークハダロンにおける $1^1D_2$ 状態を、$1^1D_2 \to \gamma h_{c,b} \to \gamma\gamma\eta_{c,b}$ カスケード崩壊を通じた将来の $h_{c,b}$ 探索の主要なターゲットとして特定すること。

提案手法

• E760およびE835の $\psi(1^1P_1)$ 崩壊データ、特に $J/\psi + \pi^0$ および $J/\psi + \pi\pi$ モードを、最新の理論モデルを用いて再評価する。
• 質量補正を施した構成クォークモデルを適用し、$\Gamma(\psi(1^1P_1) \to p\bar{p})$ を推定するが、$\eta_c \to p\bar{p}$ から導かれる186 eVと整合的である。
• Kuang-Yan多重極モデルを用いて $\Gamma(\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi)$ を予測し、CLEOの上限値 $2.7 \times 10^{-4}$ と比較する。
• $\sqrt{s} = 3.7$ GeVにおける高流量 $\gamma\gamma$ 衝突を用い、$\gamma\gamma \to \eta_c'$ に続く $\eta_c' \to \gamma h_c$ および $h_c \to \gamma\eta_c$ を高流量探索チャネルとして提言する。
• $h_c \to \gamma\eta_c$ を伴う $B \to h_c K/K^*$ 崩壊を、BELLE/BABARにおける高 $\gamma\gamma$ 流量を活用した $h_c$ 検出への有効な手段として分析する。
• $2^3S_1 - 1^3D_1$ 混在が、$c\bar{c}$ および $b\bar{b}$ 崩壊率の一致を図る役割を果たす可能性を評価する。特に $\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi$ に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜE760が観測した $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0$ 崩壊率は、理論的期待値および他の測定値と不一致を示すのか？
• RQ2 $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi\pi$ の真の分岐比は何か？理論的推定値の約6 keVと比較するとどうなるか？
• RQ3 なぜ $\gamma\eta_c$ 崩壊モードは、予想される主要モードであるにもかかわらずE760で観測されなかったのか？
• RQ4 CLEOの上限値を考慮すると、Kuang-Yan多重極モデルが $\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi$ 崩壊幅を予測する際にどれほど信頼できるのか？
• RQ5 チャームおよびボトムのクォークハダロンにおける $1^1D_2$ 状態は、$\gamma$ を多く含むカスケード崩壊を通じて、$h_c$ および $h_b$ の効率的源として利用可能か？

主な発見

• E760が報告した $BR(\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0) > 5.5 \times 10^{-3}$（90%信頼水準）は、73%の信号イベントを除去する $M_{\pi\pi} > 80\%$ 切断に起因する欠陥により、信頼性が低い可能性が高い。
• 構成クォーク質量補正を用いた理論的推定値 $\Gamma(\psi(1^1P_1) \to p\bar{p})$ は1–10 eVに達するが、$\eta_c \to p\bar{p}$ から導かれる186 eVと整合的でない。
• Kuang-Yanモデルで $\alpha_M = \alpha_E$ を仮定すると、$\Gamma(\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0)$ の推定値は0.3 keVに達し、実験的制約と整合的である。
• Kuang-Yanモデルによる $\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi$ 崩壊率の予測値（約24 keV）は、CLEOの上限値 $2.7 \times 10^{-4}$ と矛盾しており、モデルの限界を示唆している。
• $\Upsilon(1D)$ 状態（10,161 MeV）は $\Upsilon(1^3D_2)$ である可能性が高く、格子QCDおよびパラメトリックモデルと良好に一致しており、予測の不確実性が0.02 GeV程度であると支持される。
• 高流量 $\gamma\gamma$ 衝突を用いた $h_c$ 発見への有望な道筋は、$\gamma\gamma \to \eta_c'$、$\eta_c' \to \gamma h_c$（部分幅 ~49 keV）、$h_c \to \gamma\eta_c$（部分幅 ~494 keV）の連鎖崩壊であり、$\sqrt{s} = 3.7$ GeVにおける高 $\gamma\gamma$ 流量が不可欠である。