[논문 리뷰] Mass and width of the Upsilon(4S)

Eef van Beveren, George Rupp|ArXiv.org|2009. 10. 06.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions참고 문헌 32인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다채널 형식론을 사용하여 BABAR에서의 $e^+e^-$ 결합에 의한 오픈-보텀 상태 생성 데이터를 재분석하며, 공진성 기여와 비공진성 기여를 분리하고, 보편적 구속 주파수 $\omega = 0.190$ GeV를 포함한다. $\Upsilon(4S)$ 공진성은 10.735 GeV에서 질량을 가지며, 너비는 38 MeV이다. 오픈-보텀 생성은 직접적인 $b\bar{b}$ 생성보다는 중간 단계의 경량 쿼크($u/d$) 상태에 의해 주로 기인한다.

ABSTRACT

Recent data on e(-)+e(+)-->b+anti-b by the BABAR Collaboration [B. Aubert et al, Phys. Rev. Lett. 102, 012001 (2009), arXiv:0809.4120] in the energy range delimited by the B+anti-B and Lambda(b)(+)+Lambda(b)(-) thresholds are analyzed in a multichannel formalism that incorporates the usual Breit-Wigner resonances, but interfering with a background signal due to the opening of open-bottom thresholds. In particular, the Upsilon(4S) resonance is determined to have a mass of 10.735 GeV and a width of 38 MeV. Also two higher Upsilon resonances are identified, parametrized, and classified. Moreover, it is found that near the B+anti-B threshold open-bottom production in electron-positron annihilation is dominated by the reaction chain e(-)+e(+)-->n+anti-n-->B+anti-B (n=u/d) rather than e(-)+e(+)-->b+anti-b-->B+anti-B whereas near the B(s)+anti-B(s) threshold the reaction chain e(-)+e(+)-->s+anti-s-->B+anti-B dominates the production amplitude. The vital role played in this analysis by the universal confinement frequency, defined in 1980 [E. van Beveren, C. Dullemond, and G. Rupp, Phys. Rev. D21, 772 (1980)] and accurately determined in 1983 [E. van Beveren, G. Rupp, T.A. Rijken, and C. Dullemond, Phys. Rev. D27, 1527 (1983)], is further confirmed.

연구 동기 및 목표

• BABAR, CUSB, CLEO에서의 $\Upsilon(4S)$ 질량과 너비 측정치 간의 모순을 해결하기 위해 정교화된 다채널 형식론을 적용한다.
• 특히 중간 쿼크 상태의 역할을 고려하여, 임계값 근처에서 $e^+e^-$ 결합에 의한 오픈-보텀 메손 쌍 생성 메커니즘을 명확히 한다.
• 보편적 구속 주파수 $\omega = 0.190$ GeV가 강입자 생성 진폭과 위상 관계를 모델링하는 데 기여하는 바를 검증한다.
• $b\bar{b}$ 스펙트럼 내에서 고차 $\Upsilon$ 공진성($\Upsilon(3D)$, $\Upsilon(5S)$)을 진폭 관계를 통해 스펙트로스코피적으로 규명하고 파arameter화한다.
• 관측된 임계값 근처의 증폭이 공진성인지 임계값 효과인지 판단하기 위해, 공진성 기여와 비공진성 기여를 분리하는 형식론을 사용한다.

제안 방법

• 메손-메손 산란 진폭에서 유도된 형식론에 브라이트-바이너 형식을 적용하여 $e^+e^-$ 결합에 의한 강입자 최종 상태 생성을 모델링한다.
• 워터슨 정리를 사용하여 생성 진폭과 산란 진폭을 연결함으로써 다채널 프레임워크 내에서 단위성과 위상 일致성을 확보한다.
• 비공진성 기여와 공진성 기여 간의 상호작용 반경과 위상 이격을 연결하기 위해 보편적 구속 주파수 $\omega = 0.190$ GeV를 통합한다.
• 오픈-보텀 메손 쌍 생성을 위한 형상 인자를 $^3P_0$ 쿼크-쌍 생성 모델 분포를 사용하여 구성한다.
• BABAR의 $R_b$ 데이터(10.5–11.24 GeV)를 필립팅하여 $B\bar{B}$, $B^*\bar{B}^*$, $B_s\bar{B}_s$ 최종 상태를 구분한 채로 공진성 매개변수를 추출한다.
• 반응 체인 $e^+e^- \to n\bar{n} \to B\bar{B}$ ($n = u/d$)와 $e^+e^- \to s\bar{s} \to B\bar{B}$를 분석하여, 경량 쿼크 대비 이상 쿼크 중간 상태의 기여도를 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BABAR, CUSB, CLEO에서의 상충 측정치를 고려할 때, $\Upsilon(4S)$ 공진성의 진정한 질량과 너비는 무엇인가?
• RQ2 왜 $B\bar{B}$ 임계값 근처에서 관측된 증폭이 $b\bar{b}$ 공진성과 대응하지 않으며, 오픈-보텀 생성의 주요 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 중간 단계의 경량 쿼크($u/d$)와 이상 쿼크($s$) 상태는 $e^+e^-$ 결합에서 $B\bar{B}$ 생성에 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 보편적 구속 주파수 $\omega$는 강입자 생성 진폭 내 상호작용 반경과 위상 관계를 얼마나 결정적으로 지배하는가?
• RQ5 $\Upsilon(4S)$, $\Upsilon(3D)$, $\Upsilon(5S)$ 공진성은 진폭 관계를 통해 일관되게 파arameter화되고 스펙트로스코피적으로 규명될 수 있는가?

주요 결과

• $\Upsilon(4S)$ 공진성의 질량은 10.735 GeV, 너비는 38 MeV로 결정되었으며, 이는 이전 세계 평균보다 현저히 낮다.
• 임계값 근처의 오픈-보텀 생성은 직접적인 $b\bar{b}$ 생성보다는 반응 체인 $e^{-}e^{+} \to n\bar{n} \to B\bar{B}$ ($n = u/d$)에 의해 지배된다.
• $B_s\bar{B}_s$ 임계값 근처에서는 체인 $e^{-}e^{+} \to s\bar{s} \to B\bar{B}$가 생성 진폭을 지배한다.
• 보편적 구속 주파수 $\omega = 0.190$ GeV는 비공진성 기여와 공진성 기여를 연결하고 상호작용 반경을 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다.
• 이 형식론은 공진성 기여와 비공진성 기여를 성공적으로 분리하여, $B\bar{B}$ 임계값 약간 위에서 관측된 증폭이 $b\bar{b}$ 공진성 때문이 아니라는 것을 드러낸다.
• 고차 공진성인 $\Upsilon(3D)$와 $\Upsilon(5S)$는 규명되고 파arameter화되었으며, 이들의 $b\bar{b}$ 전파자에 대한 결합은 일관된 진폭 관계를 통해 연결된다.