[논문 리뷰] Amplitude analysis of the $ {D}_s^{+} $→ π$^{−}$π$^{+}$π$^{+}$ decay

LHCb collaboration, Aaij, R.외 1070명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 LHCb 실험에서 확보한 $\sqrt{s} = 8$ TeV에서의 $pp$ 충돌 데이터 1.5 fb$^{-1}$ 를 사용하여 $ D_s^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $ 붕괴의 준모델 독립적 부분파 진폭 분석을 제시한다. 분석 결과 $\pi^+\pi^-$ S파 진폭이 지배적이며, 스핀-2 및 스핀-1 공명에서의 상당한 기여가 확인되었으며, 특히 $ D_s^+ \to \omega(782)\pi^+ $ 채널의 첫 관측이 이루어졌고, $ D^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $ 붕괴와의 비교를 통해 강입자 형성 메커니즘에 대한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

A Dalitz plot analysis of the $D_s^+ o π^- π^+ π^+$ decay is presented. The analysis is based on proton-proton collision data recorded by the LHCb experiment at a centre-of-mass energy of $8$ TeV and corresponding to an integrated luminosity of $1.5 fb^{-1}$. The resonant structure of the decay is obtained using a quasi-model-independent partial-wave analysis, in which the $π^+π^-$ S-wave amplitude is parameterised as a generic complex function determined by a fit to the data. The S-wave component is found to be dominant, followed by the contribution from spin-2 resonances and a small contribution from spin-1 resonances. The latter includes the first observation of the $D_s^+ o ω(782) π^+$ channel in the $D_s^+ o π^- π^+ π^+$ decay. The resonant structures of the $D_s^+ o π^- π^+ π^+$ and $D^+ o π^- π^+ π^+$ decays are compared, providing information about the mechanisms for the hadron formation in these decays.

연구 동기 및 목표

• 준모델 독립적 부분파 분석을 통해 $ D_s^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $ 붕괴의 공명 구조를 규명하는 것.
• 특정 공명 모델에 제약을 받지 않는 방식으로 $\pi^+\pi^-$ S파 진폭을 측정하는 것.
• $ D_s^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $의 공명 구조를 $ D^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $와 비교하여 강입자 형성 메커니즘의 차이를 탐구하는 것.
• 비레프톤성 캐롬 메손 붕괴에서 메손-메손 상호작용의 역할을 분석하며, 특히 스칼라 및 텐서 공명의 역학을 조사하는 것.

제안 방법

• 준모델 독립적 부분파 분석을 수행하였으며, $\pi^+\pi^-$ S파 진폭은 다이얼리츠 플롯 데이터에 직접 피팅되는 일반적인 복소수 함수로 매개변수화되었다.
• 분석은 LHCb 실험에서 확보한 $\sqrt{s} = 8$ TeV에서의 $pp$ 충돌 데이터 1.5 fb$^{-1}$ 를 사용하였다.
• 공명 기여는 S-, P-, D파로 분리되었으며, 스핀-2 및 스핀-1 공명이 진폭 모델에 포함되었다.
• S파 진폭은 특정 공명 구조를 가정하지 않고 추출되어, $\pi^+\pi^-$ 상호작용 역학의 모델 자유형 결정이 가능했다.
• 검출기 효과 및 수용률을 고려하기 위해 광범위한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 진폭 모델을 검증하였다.
• 시스템적 불확실성을 데이터 기반 방법으로 평가한 바인딩 최대우도 방법을 사용하여 피팅을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $ D_s^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $ 붕괴에서 지배적인 공명 구조는 무엇이며, 특히 $\pi^+\pi^-$ S파 채널에서 어떤가?
• RQ2 $ D_s^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $ 붕괴에서 스핀-2 및 스핀-1 공명의 기여는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 $ D_s^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $에서 $\omega(782)\pi^+$ 최종 상태가 관측되었는가? 이는 $\pi^+\pi^-$ S파 역학에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 $ D_s^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $의 공명 구조는 $ D^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $와 어떻게 비교되는가? 이는 캐롬 붕괴에서 강입자 형성에 대한 통찰을 어떻게 드러내는가?
• RQ5 $\pi^+\pi^-$ S파에서 $ f_0(980) $ 공명의 역할은 무엇이며, 데이터는 이를 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• $ D_s^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $ 붕괴에서 $\pi^+\pi^-$ S파 진폭이 지배적 성분으로 작용하며, 총 붕괴 진폭의 84.97 ± 0.14% 를 차지한다.
• 스핀-2 공명은 붕괴 진폭의 13.12 ± 0.02% 기여하며, $ f_2(1270) $ 및 $ f_2'(1430) $ 영역에서 상당한 구조가 관측되었다.
• 스핀-1 공명은 붕괴 진폭의 8.55 ± 0.44% 기여하며, $ D_s^+ \to \omega(782)\pi^+ $ 붕괴 채널의 첫 관측이 이루어졌다.
• $ D_s^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $ 붕괴는 $ D^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $ 붕괴(61.82%)에 비해 훨씬 큰 S파 분율(84.97%)을 보이며, 이는 다른 강입자화 역학을 시사한다.
• 진폭 모델은 다이얼리츠 플롯 분포를 성공적으로 기술하였으며, S파 위상과 크기는 $\pi^+\pi^-$ 임계값 근처에서 강한 증폭을 보였다.
• $ D^+ \to \pi^-"]\pi^+\pi^+ $와의 비교에서, 동일한 최종 상태임에도 불구하고 이국적 초기 쿼크 수준 전이의 차이로 인해 $ D_s^+ $와 $ D^+ $ 붕괴에서 $\pi^+\pi^-$ S파 역학이 다름을 확인하였다.