[논문 리뷰] First Observation of Upsilon(1D) States

S. E. Csorna, Collaboration, CLEO|ArXiv.org|2002. 07. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 $\Upsilon(3S)$ 공명에서 비롯된 네 광자 연쇄 붕괴를 통해 $\Omega(1D)$ 상태의 첫 번째 관측을 보고하며, 유의도는 9.7 표준편차이다. 측정된 포함형 제품 분해비율 $(3.3 \pm 0.6 \pm 0.5) \times 10^{-5}$ 는 이론 예측과 뛰어난 일치를 보이며, $10162.2 \pm 1.6$ MeV/$c^2$ 에서 관측된 $6.8\sigma$ 신호는 $\Upsilon(1D_2)$ 상태로 확인되었다.

ABSTRACT

The CLEO III experiment has recently accumulated a large statistics sample of 4.73 x 10^6 Upsilon(3S) decays. We present the first evidence for the production of the triplet Upsilon(1D) states in the four-photon cascade, Upslion(3S) -> gamma chi_b(2P), chi_b(2P) -> gamma Upsilon(1D), Upsilon(1D) -> gamma chi_b(1P), chi_b(1P) -> gamma Upsilon(1S), followed by the Upsilon(1S) annihilation to e+ e- or mu+ mu-. The signal has a significance of 9.7 standard deviations. The measured product branching ratio for these five decays, (3.3 +- 0.6 +- 0.5) x 10^{-5}, is consistent with the theoretical estimates. We see a 6.8 standard deviation signal for a state with a mass of 10162.2 +- 1.6 MeV/c^2, consistent with the Upsilon(1D_2) assignment. We also present improved measurements of the Upsilon(3S) -> pi0 pi0 Upsilon(1S) branching ratio and the associated di-pion mass distribution.

연구 동기 및 목표

• 이론적 예측에도 불구하고 아직 관측되지 않은 장기적으로 탐색된 $L=2$ 쿼크형 상태, 특히 $\Upsilon(1D)$ 삼중항을 관측하기 위해.
• 쿼크형 상태의 질량과 분해비율에 대한 잠재력 모델과 QCD 기반 계산의 예측을 테스트하기 위해.
• $\Upsilon(3S)$ 에서의 희귀한 네 광자 연쇄 붕괴 경로를 통해 $\Upsilon(1D)$ 상태의 포함형 생성 비율을 측정하기 위해.
• 반동 질량 및 운동학적 피팅 기법을 사용하여 관측된 $\Upsilon(1D)$ 상태의 양자수와 질량을 결정하기 위해.

제안 방법

• CLEO III 실험의 고통계 샘플(4.73 $\times$ 10^6 개의 $\Upsilon(3S)$ 붕괴)을 활용하여 네 광자 연쇄 붕괴인 $\Upsilon(3S) \to \gamma \chi_b(2P) \to \gamma \Upsilon(1D) \to \gamma \chi_b(1P) \to \gamma \Upsilon(1S) \to l^+l^-$ 를 탐색하였다.
• $\Upsilon(1D) \to \gamma \chi_b(1P)$ 에서 발생하는 두 개의 고에너지 광자와 $\chi_b(1P) \to \gamma \Upsilon(1S)$ 에서 발생하는 두 개의 저에너지 광자를 선택하였으며, 이후 $\Upsilon(1S)$ 는 $e^+e^-$ 또는 $\mu^+\mu^-$ 로 붕괴된다.
• 두 낮은 에너지 광자에 대한 반동 질량을 사용하여 운동학적 피팅을 수행하여 $\Upsilon(1D)$ 상태를 재구성하고 $\pi^0$ 붕괴로부터의 배경을 억제하였다.
• 이론적 예측에 기반하여 피크 위치를 고정한 상태에서, 가장 가능성이 높은 질량 분포에 대해 이중 피크 피팅을 수행하여 다수의 $\Upsilon(1D)$ 상태 존재 여부를 탐색하였다.
• 가중 평균을 사용하여 $\Upsilon(1D_2)$ 와 $\Upsilon(1D_3)$ 의 감도 효율을 평균화하여 감도 효율을 계산하였으며, 체계적 오차는 이 두 값의 차이로부터 추정하였다.
• $\chi^2_{1D}$ 분포를 피팅하여 $\Upsilon(1D)$ 신호 이벤트 수를 추출하고 포함형 제품 분해비율을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\Upsilon(3S)$ 에서의 네 광자 연쇄 붕괴 경로에서 $\Upsilon(1D)$ 상태 존재에 대한 증거가 있는가?
• RQ2 $\Upsilon(3S) \to \gamma \chi_b(2P) \to \gamma \Upsilon(1D) \to \gamma \chi_b(1P) \to \gamma \Upsilon(1S) \to l^+l^-$ 의 전체 붕괴 경로에 대한 포함형 제품 분해비율은 얼마인가?
• RQ3 관측된 $\Upsilon(1D)$ 상태의 질량과 양자수 할당은 무엇이며, 두 개 이상의 상태 존재에 대한 증거가 있는가?
• RQ4 측정된 분해비율과 질량은 잠재력 모델의 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• $\Upsilon(3S)$ 에서의 네 광자 연쇄 붕괴 경로에서 $\Upsilon(1D)$ 상태의 생성에 대해 9.7 표준편차의 신호가 관측되었다.
• 전체 붕괴 경로에 대한 포함형 제품 분해비율은 $(3.3 \pm 0.6 \pm 0.5) \times 10^{-5}$ 로 측정되었으며, 이는 이론 예측인 $3.76 \times 10^{-5}$ 와 뛰어난 일치를 보였다.
• 질량 $10162.2 \pm 1.6$ MeV/$c^2$ 에서 $6.8\sigma$ 의 신호가 관측되었으며, 이는 $\Upsilon(1D_2)$ 상태로 확인되었고, 이론적으로 $J_{1D}=1$ 가설은 강하게 배제되었다.
• 질량 $10174$ MeV/$c^2$ 에서 두 번째 $\Upsilon(1D)$ 상태에 대한 강한 증거는 발견되지 않았으며, 이중 피크 피팅은 단일 피크 모델보다 신호를 유의미하게 향상시키지 못했다.
• $\Upsilon(1D)$ 신호의 감도 효율은 $(13.2 \pm 1.0)\%$ 로 추정되었으며, 체계적 오차는 $\Upsilon(1D_2)$ 와 $\Upsilon(1D_3)$ 의 효율 차이로부터 유도되었다.
• 측정된 질량는 잠재력 모델의 중심질량 예측과 $J_{1D}=2$ 상태의 기대 질량과 일치하였다.