[논문 리뷰] Evidence for an $η_c(1S) π^-$ resonance in $B^0 o η_c(1S) K^+π^-$ decays

LHCb Collaboration, R. Aaij외 845명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 52인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 LHCb에서 수집한 4.7 fb$^{-1}$의 데이터를 바탕으로, $\sqrt{s} = 7$, 8, 13 TeV에서의 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 붕괴에서 $\eta_c(1S)\pi^-$로 붕괴하는 새로운 이색 입자 레조넌스에 대한 증거를 제시한다. 레조넌스의 질량은 $4096 \pm 20^{+18}_{-22}$ MeV이고, 너비는 $152 \pm 58^{+60}_{-35}$ MeV이며, 표준편차 3개 이상을 초월하는 유의성으로, $J^P = 0^+$ 또는 $1^-$인 채론늄 유사 상태로 해석될 가능성이 높다. 또한 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 붕괴 분율의 첫 측정치로 $(5.73 \pm 0.24 \pm 0.13 \pm 0.66) \times 10^{-4}$가 보고되었다. 이 관측은 라티스 QCD 및 디쿼크 모델에서 예측한 이색 하드론 스펙트로스코피, 특히 $\eta_c\pi^-$ 시스템에 대한 이해에 중요한 정보를 제공한다.

ABSTRACT

A Dalitz plot analysis of $B^0 o η_c(1S) K^+π^-$ decays is performed using data samples of $pp$ collisions collected with the LHCb detector at centre-of-mass energies of $\sqrt{s}=7,~8$ and $13$ TeV, corresponding to a total integrated luminosity of $4.7~ ext{fb}^{-1}$. A satisfactory description of the data is obtained when including a contribution representing an exotic $η_c(1S) π^-$ resonant state. The significance of this exotic resonance is more than three standard deviations, while its mass and width are $4096 \pm 20~^{+18}_{-22}$ MeV and $152 \pm 58~^{+60}_{-35}$ MeV, respectively. The spin-parity assignments $J^P=0^+$ and $J^{P}=1^-$ are both consistent with the data. In addition, the first measurement of the $B^0 o η_c(1S) K^+π^-$ branching fraction is performed and gives $\displaystyle \mathcal{B}(B^0 o η_c(1S) K^+π^-) = (5.73 \pm 0.24 \pm 0.13 \pm 0.66) imes 10^{-4}$, where the first uncertainty is statistical, the second systematic, and the third is due to limited knowledge of external branching fractions.

연구 동기 및 목표

• B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^- 붕괴 내에서 $\eta_c(1S)\pi^-$ 최종 상태에 있는 이색 레조넌스를 탐색하기 위해.
• 라티스 QCD 및 디쿼크 모델에서 예측한 채론늄 유사 상태가 $\eta_c(1S)\pi^-$로 붕괴하는 것을 검증하기 위해.
• $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 붕괴 분율의 첫 측정을 수행하기 위해.
• LHC의 런 1 및 런 2 데이터를 통합한 샘플을 사용하여 데일리츠 플롯 앰플리튜드 분석을 통해 새로운 레조넌스의 존재를 검증하기 위해.

제안 방법

• LHCb 검출기에서 수집한 $\sqrt{s} = 7$, 8, 13 TeV에서의 $pp$ 충돌 데이터 4.7 fb$^{-1}$를 사용하여 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 붕괴에 대한 데일리츠 플롯 분석을 수행하였다.
• $\eta_c(1S)$는 $p\bar{p}$ 붕괴 모드를 통해 재구성되었으며, 데일리츠 플롯은 $m(K^+\pi^-)$, $m(\eta_c(1S)\pi^-)$, $m(\eta_c(1S)K^+)$의 진동 질량을 사용하여 구성되었다.
• 부분파동 앰플리튜드 분석이 구현되었으며, $J^P = 0^+$ 또는 $1^-$인 이색 $\eta_c(1S)\pi^-$ 상태의 공진 기여를 포함하였다. 블라트-바이스코프 장벽 인자와 각운동량 의존성의 몰입 공간 보정을 사용하였다.
• 피팅 모델은 $K^{*0}$ 매개 붕괴도랑과 $Z_c^-$ 매개 붕괴도랑을 모두 포함하였으며, 후자는 $\eta_c(1S)\pi^-$ 시스템에 새로운 레조넌스를 도입하였다.
• 신호 및 배경 모델, 레조넌스 파rameter, 외부 붕괴 분율을 변화시켜 시스템적 불확실성을 평가하였다.
• 레조넌스의 유의성은 프로파일-가능도 비율 검정을 통해 평가되었으며, 귀무가설은 신호+배경 모델과 대비되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^- 붕괴의 데일리츠 플롯에서 $\eta_c(1S)\pi^-$ 최종 상태에 레조넌스가 나타나는가?
• RQ2 관측된 레조넌스는 라티스 QCD 또는 디쿼크 모델에서 예측한 이색 채론늄 유사 상태와 일치하는가?
• RQ3 새로운 레조넌스의 질량과 너비는 얼마이며, 허용되는 스핀-파리티 양자수는 무엇인가?
• RQ4 비공진 모델 대비 $\eta_c(1S)\pi^-$ 레조넌스를 포함할 경우 데일리츠 플롯 데이터에 대한 피팅 품질은 얼마나 향상되는가?
• RQ5 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 붕괴의 측정된 붕괴 분율은 얼마인가?

주요 결과

• $\eta_c(1S)\pi^-$ 시스템에서 표준편차 3개 이상을 초월하는 유의성으로 새로운 이색 상태에 대한 강력한 증거를 제공하는 레조넌스가 관측되었다.
• 레조넌스의 질량은 $4096 \pm 20^{+18}_{-22}$ MeV이고, 너비는 $152 \pm 58^{+60}_{-35}$ MeV이며, 라티스 QCD 및 디쿼크 모델의 예측과 일치한다.
• $J^P = 0^+$ 및 $J^P = 1^-$ 스핀-파리티 할당 모두 데이터와 일치하지만, 이론적 기대에 비추어 $0^+$ 상태가 더 강하게 지지된다.
• $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 붕괴 분율의 첫 측정치는 $(5.73 \pm 0.24 \pm 0.13 \pm 0.66) \times 10^{-4}$이며, 통계적 오차, 시스템적 오차, 외부 붕괴 분율 오차로 구성된다.
• 데일리츠 플롯 분석에서 $\eta_c(1S)\pi^-$ 레조넌스를 포함할 경우 피팅 품질이 유의미하게 향상되었으며, 레전드르 모멘트 비교 및 2차원 풀 분포를 통해 확인되었다.
• 관측된 레조넌스는 라티스 QCD에서 예측한 $I^G(J^P) = 1^-(0^+)$ 상태와 일치하며, 이는 $\eta_c(1S)\pi^-$로 붕괴되므로 이의 이색 성격을 지지한다.