[논문 리뷰] Analysis of the decay $D^0 ightarrow K_{S}^{0} K^{+} K^{-}$

BESIII Collaboration, F. De Mori외 484명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 04.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 BESIII 실험의 데이터를 사용하여 다리츠 플롯 영상 분석을 통해 $D^0 \to K_S^0 K^+ K^-$ 붕괴의 첫 번째 절대 분열 분율 측정을 제시한다. 측정된 분열 분율은 $(4.51 \pm 0.05_{\text{stat}} \pm 0.16_{\text{sys}}) \times 10^{-3}$이며, 양자 얽힘을 고려한 모델로, $a_0(980)$, $\phi(1020)$, $a_2(1320)$ 등의 공명 상태를 포함하고 있으며, 모델 불확실성으로 인해 이중 코비보 억제 상태에 대해 상한선도 보고한다.

ABSTRACT

Using a data sample of $2.93~fb^{-1}$ of $e^+e^-$ collisions collected at $\sqrt{s}=3.773 GeV$ in the BESIII experiment, we perform an analysis of the decay $D^0 ightarrow K_{S}^{0} K^{+} K^{-}$. The Dalitz plot is analyzed using $1856\pm 45$ flavor-tagged signal decays. We find that the Dalitz plot is well described by a set of six resonances: $a_0(980)^0$, $a_0(980)^+$, $ϕ(1020)$, $a_2(1320)^+$, $a_2(1320)^-$ and $a_0(1450)^-$. Their magnitudes, phases and fit fractions are determined as well as the coupling of $a_0(980)$ to $K\bar{K}$, $g_{K\bar{K}}=3.77\pm 0.24 ext{(stat.)}\pm0.35 ext{(sys.)} GeV$. The branching fraction of the decay $D^0 ightarrow K_{S}^{0} K^{+} K^{-}$ is measured using $11660\pm 118$ untagged signal decays to be $(4.51\pm 0.05 ext{(stat.)}\pm 0.16 ext{(sys.)})10^{-3}$. Both measurements are limited by their systematic uncertainties.

연구 동기 및 목표

• 고정밀도로 $D^0 \to K_S^0 K^+ K^-$ 붕괴의 절대 분열 분율을 측정하기 위해.
• 공명 기여를 식별하고 붕괴 역학을 모델링하기 위해 다리츠 플롯 진폭 분석을 수행하기 위해.
• 정확한 매개변수 추출을 보장하기 위해 진폭 모델에 $D^0$과 $\bar{D}^0$ 간의 양자 얽힘 효과를 반영하기 위해.
• 공명 상태인 $a_0(980)$, $a_2(1320)$, $a_0(1450)$의 유의성 및 피팅 분율을 평가하고, 모델 한계로 인해 필요할 경우 상한선을 보고하기 위해.
• 이전 측정치와 비교하여 개선된 공명 모델과 얽힘 보정을 통해 불확실성을 감소시키기 위해.

제안 방법

• BESIII 실험의 데이터를 사용하여 $D^0 \to K_S^0 K^+ K^-$ 붕괴에 대해 다리츠 플롯 진폭 분 析를 수행한다.
• 진폭 모델은 $a_0(980)^0$, $a_0(980)^+$, $\phi(1020)$, $a_2(1320)^\pm$, $a_0(1450)^\pm$ 등의 공명 상태를 포함하며, 단위 공간 분포에 적합함으로써 매개변수를 제약한다.
• 양자 얽힘 효과는 $D^0 \to K^+ \pi^-$ 붕괴에서 유도된 진폭 비율 매개변수를 사용하여 진폭 모델에 통합하며, 모델 의존성에 따른 불확실성 전파를 수행한다.
• 신호 수확량과 분열 분율은 다리츠 플롯 분포에 대한 최대우도 적합을 통해 추출되며, 양자 얽힘 효과에 대한 보정이 적용된다.
• 체계적 불확실성은 진폭 모델, 공명 매개변수, 얽힘 가정을 변화시켜 평가하며, 비교를 위해 단순화된 '가시성' 공명 모델도 사용한다.
• 최종 분열 분율은 통계적 및 체계적 불확실성과 함께 보고되며, $a_2(1320)^{-}$ 및 $a_0(1450)^{-}$와 같이 유의성이 낮은 상태에 대해서는 상한선이 제공된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 정밀도로 $D^0 \to K_S^0 K^+ K^-$ 붕괴의 절대 분열 분율을 측정할 수 있는가?
• RQ2 다리츠 플롯 분포에 유의미하게 기여하는 공명 상태는 무엇이며, 각각의 피팅 분율과 유의성 수준은 어떻게 되는가?
• RQ3 $D^0$과 $\bar{D}^0$ 간의 양자 얽힘 효과가 진폭 모델과 추출된 분열 분율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 이중 코비보 억제 상태인 $a_2(1320)^{-}$와 $a_0(1450)^{-}$는 유의성이 낮게 나타나며, 이는 모델 신뢰성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 공명 모델의 선택이 최종 분열 분율과 체계적 불확실성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $D^0 \to K_S^0 K^+ K^-$의 절대 분열 분율은 $(4.51 \pm 0.05_{\text{stat}} \pm 0.16_{\text{sys}}) \times 10^{-3}$로 측정되었으며, 이는 이 붕괴에 대한 첫 번째 절대 측정이다.
• $a_0(980)$의 $K\bar{K}$에 대한 결합 강도는 $g_{K\bar{K}} = (3.77 \pm 0.24 \pm 0.35)\,\text{GeV}^{-1}$로 측정되었으며, 불확실성 범위 내에서 이전 측정치와 일치한다.
• $a_2(1320)^{+}$, $a_2(1320)^{-}$, $a_0(1450)^{-}$ 상태의 통합 통계적 유의성은 $5.9\sigma$이지만, 개별 피팅 분율은 작고, 이스표인트 파트너의 유의성은 $2.1\sigma$ 이하이므로 상한선이 보고되었다.
• $a_0(980)^0$과 $a_0(980)^+$ 공명 상태는 유의미한 기여를 하며, $a_0(980)^0$의 피팅 분율은 $K\bar{K}$에 대한 결합에 기대하는 바와 일치한다.
• $a_0(980)^0$, $a_0(980)^+$, $\phi(1020)$를 '가시성' 공명 상태로 포함한 모델은 일관된 결과를 도출하여, 분석의 모델 의존성에 대한 강건성을 검증한다.
• 이중 코비보 억제 상태가 잘 기술되지 않는 단계 공간 영역에서 모델의 잠재적 오류를 식별하였으며, 이들의 기여를 해석할 때 주의가 필요하다고 제안한다.