[논문 리뷰] A search for J^{PC}=1^{-+} exotic mesons in the pi- pi- pi+ and pi- pi0 pi0 systems

A. Dzierba, R. E. Mitchell외 3명|arXiv (Cornell University)|2005. 02. 09.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 18 GeV/$c$에서 $\pi^{-}p \to (3\pi)^{-}p$ 반응에서 $\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$ 및 $\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$ 최종 상태에 대한 고통계적 부분파 분석을 수행하였으며, 이소바르 모델 진폭을 사용하여 $J^{PC}=1^{-+}$ 이색 메손을 탐색한다. 이전 결과에서 1.6~\text{GeV}/c^2$ 상태에 대한 힌트가 있었음에도 불구하고, 더 큰 데이터 샘플에서 $\pi_1(1600)$ 또는 어떤 $1^{-+}$ 이색 메손에 대한 증거도 발견되지 않았으며, 이는 일관된 이스ospin 행동과 향상된 부분파 세트 수렴을 보여준다.

ABSTRACT

A partial wave analysis (PWA) of the pi-pi-pi+ and pi-pi0pi0 systems produced in the reaction pi- p -> (3pi)-p at 18 GeV/c was carried out using an isobar model assumption. This analysis is based on 3.0M pi-pi0pi0 events and 2.6M pi-pi-pi+ events and shows production of the a2(1320), pi2(1670) and π(1800) mesons. An earlier analysis of 250K pi-pi-pi+ events from the same experiment showed possible evidence for a J^{PC}=1^{-+}$ exotic meson with a mass of 1.6 GeV/c^2 decaying into rho pi. In this analysis of a higher statistics sample of the (3pi)- system in two charged modes we find no evidence of an exotic meson.

연구 동기 및 목표

• 3\pi^{-} 및 $\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$ 최종 상태에서 $J^{PC}=1^{-+}$ 이색 메손, 특히 $\pi_1(1600)$을 탐색하기 위해.
• 이전에 보고된 1.6~\text{GeV}/c^2$ $1^{-+}$ 공명에 대한 증거가 더 높은 통계량 데이터 샘플에서 유지되는지 테스트하기 위해.
• 다른 검출기 반응을 보이는 두 개의 전하 모드 간의 결과를 비교하여 이소바르 모델 부분파 분석(PWA)의 타당성을 검증하기 위해.
• 더 완전한 부분파 세트(높은 부분파 포함)를 사용하여 $1^{-+}$ 신호의 강건성을 평가하기 위해.
• 1.6 GeV에서 관측된 $1^{-+}$ 강화가 통계적 변동인지 실제 공명인지 판단하기 위해 부분파 세트의 완전성과 피팅 안정성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 이소바르 모델을 사용하여 $\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$ 및 $\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$ 시스템의 부분파 분석(PWA)을 수행하였으며, 중간 상태로 $\rho(770)$, $f_2(1275)$, $\pi_2(1670)$ 등을 가정하였다.
• 두 가지 부분파 세트 접근법을 사용: 저부분파 세트(35파동)와 고부분파 세트(55파동), 여기서 추가로 $1^{++}$, $2^{-+}$ 및 $J \geq 3$ 부분파를 포함하였다.
• 파동 세트의 적정성과 피팅 품질을 평가하기 위해 데이터 및 PWA 피팅에서 $D^L_{MN}(\Omega)$ 함수의 모멘트 $H(LMN)$을 계산하였다.
• 입자 빔 운동량, 궤적 측정값 및 LGD 캘로리메터 데이터를 사용하여 3\pi 시스템의 4모멘텀을 재구성하기 위해 운동역학적 피팅(SQUAW)을 적용하였다.
• 재결합된 양성자 질량을 $m_p$로 제약하고, 이중 광자 질량을 $m_\pi$로 제약하여 이벤트 재구성 정확도를 향상시키고 배경을 감소시켰다.
• PDG에서 제공하는 $\rho$ 및 $f_2(1275)$ 질량과 너비 값을 사용한 최대우도 피팅을 수행하였으며, 다양한 $\pi\pi$ S-파 매개변수화 방법을 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이전 E852 데이터에서 관측된 1.6~\text{GeV}/c^2$ $1^{-+}$ 공명 신호가 더 높은 통계량 샘플에서도 유지되는가?
• RQ2 1.6 GeV에서 관측된 $1^{-+}$ 신호는 부분파 세트가 불완전하여 발생한 오염일까, 실제 공명일까?
• RQ3 $\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$ 및 $\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$ 최종 상태는 $1^{-+}$ 공명이 $\rho\pi$로 붕괴될 때 예상되는 일관된 이스ospin 행동을 보이는가?
• RQ4 이소바르 모델은 $3\pi$ 최종 상태를 충분히 잘 묘사할 수 있는가, 아니면 모호성을 해결하기 위해 고차 부분파가 필요한가?
• RQ5 $1^{-+}$ 파동의 위상과 진폭이 주요 $2^{++}$ 파동과 비교해 어떻게 되어 있으며, 이는 공명이 아닌 간섭 효과를 지지하는가?

주요 결과

• $1^{-+}$ 파동은 저부분파 세트에서는 1.6~\text{GeV}/c^2$에서 일시적인 강화를 보였으며, 이는 이전 E852 결과와 일치하지만, 고부분파 세트를 사용할 경우 이 특징는 사라진다.
• $\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$ 및 $\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$ 모드는 일관된 이스ospin 행동을 보였다: $a_2^{-}$ 수확률은 두 모드에서 동일하며, $\pi_2^{-}$ 수확률은 $\pi^{+}\pi^{-}\pi^{-}$ 모드에서 $\pi^{0}\pi^{0}\pi^{-}$ 모드보다 두 배 더 높았다. 이는 예상되는 바와 일치한다.
• $2^{++}$ 및 $2^{-+}$ 파동은 두 개의 간섭하는 Breit-Wigner 형상으로 잘 묘사되었으며, 두 채널 간 위상 차이는 일관되게 유지되었다.
• $1^{-+}$ 파동의 진폭과 위상은 주로 $a_2(1320)$ 기여로 결정되며, 부분파 세트의 완전성이 향상될수록 음성 반사파는 사라진다.
• 모멘트 비교에 대한 $\Delta^2$ 통계량은 고부분파 세트에서 데이터와 더 잘 일치함을 보여, 더 나은 피팅 품질과 더 낮은 모델 의존성을 의미한다.
• 3.0M 건의 $\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$ 및 2.6M 건의 $\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$ 이벤트로 통계량을 증가시킨 결과에도 불구하고, $\pi_1(1600)$ 또는 어떤 $J^{PC}=1^{-+}$ 이색 메손에 대한 증거도 발견되지 않았다.