[논문 리뷰] Observation of a Narrow Resonance of Mass 2.46 GeV/c^2 in the D_s^*+\pi^0 Final State, and Confirmation of the D_sJ^*(2317)

D. Besson|arXiv (Cornell University)|2003. 05. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 15

한 줄 요약

CLEO-II 검출기에서 확보한 13.5 fb⁻¹의 e⁺e⁻ 결합 데이터를 바탕으로, 이 연구는 D_s^*π⁰ 최종 상태에서 2.46 GeV/c²에서 새로운 날렵한 공명을 관측하며, BaBar가 이전에 관측한 D_{sJ}^*(2317) 상태의 존재를 확인한다. D_sπ⁰ 및 D_s^*π⁰ 채널에 대한 질량 차이 측정값인 각각 350.4 ± 1.2 MeV/c² 및 351.6 ± 1.7 MeV/c²는 J^P = 0⁺ 및 1⁺인 두 개의 별개 상태가 존재함을 강력히 뒷받침하며, 이는 L=1을 가진 cs̄ 메손과 일치한다.

ABSTRACT

Using 13.5 fb^{-1} of e^+e^- annihilation data collected with the CLEO-II detector, we have observed a new narrow resonance in the D_s^*\pi^0 final state, with a mass near 2.46 GeV/c^2. The search for such a state was motivated by the recent discovery by the BaBar Collaboration of a narrow state at 2.32 GeV/c^2, the D_{sJ}^*(2317)^+, that decays to D_s\pi^0. Reconstructing the D_s\pi^0 and D_s^*\pi^0 final states in CLEO data, we observe a peak in each of the corresponding reconstructed mass difference distributions, \Delta M_{D_s\pi^0} = M(D_s\pi^0) - M(D_s) and \Delta M_{D_s^*\pi^0} = M(D_s^*\pi^0) - M(D_s^*), both of them at values around 350 MeV/c^2. These peaks constitute statistically significant evidence for two distinct states, at 2.32 and 2.46 GeV/c^2, taking into account the background source that each state comprises for the other in light of the nearly identical values of \Delta M observed for the two peaks. We have measured the mean mass differences \Delta M_{D_s\pi^0} = 350.4 \pm 1.2[stat.] \pm 1.0 [syst.] MeV/c^2 for the $D_{sJ}^*(2317)^+$ state, and \Delta M_{D_s^*\pi^0} = 351.6 \pm 1.7[stat.] \pm 1.0 [syst.] MeV/c^2 for the new state at 2.46 GeV/c^2. We have also searched, but find no evidence, for decays of D_{sJ}^*(2317) into the alternate final states D_s^*\gamma, D_s\gamma, and D_s\pi^+\pi^-. The observations of the two states at 2.32 and 2.46 GeV/c^2, in the D_s\pi^0 and D_s^*\pi^0 decay channels respectively, are consistent with their possible interpretations as c s-bar mesons with orbital angular momentum L=1, and spin-parity J^P = 0^+ and 1^+.

연구 동기 및 목표

• CLEO-II e⁺e⁻ 결합 데이터를 사용하여 D_s^*π⁰ 최종 상태로 붕괴하는 날렵한 공명을 탐색한다.
• BaBar가 D_sπ⁰ 붕괴 채널에서 관측한 D_{sJ}^*(2317) 상태의 존재를 독립적인 CLEO-II 데이터로 확인한다.
• 두 개의 공명 상태를 식별하고 구분하기 위해 질량 차이 ΔM_{D_sπ⁰} 및 ΔM_{D_s^*π⁰}을 측정한다.
• 두 관측된 상태가 궤도 운동량 L=1을 가지며 스핀-통합 J^P = 0⁺ 및 1⁺인 cs̄ 메손일 가능성을 검증한다.
• D_{sJ}^*(2317)의 양자수를 제약하기 위해 D_s^*γ, D_sγ, 및 D_sπ⁺π⁻ 최종 상태로의 대안 붕괴 모드를 탐색한다.

제안 방법

• CLEO-II 검출기에서 확보한 13.5 fb⁻¹의 e⁺e⁻ 결합 데이터로부터 D_s^*π⁰ 및 D_sπ⁰ 최종 상태를 재구성한다.
• 공명 상태를 분리하기 위해 질량 차이 분포 ΔM_{D_sπ⁰} = M(D_sπ⁰) - M(D_s) 및 ΔM_{D_s^*π⁰} = M(D_s^*π⁰) - M(D_s^*)를 측정한다.
• 유사한 ΔM 값으로 인해 두 상태 간의 교차 간섭을 고려하기 위해 배경 모델링을 수행한다.
• ΔM 분포에서 피크를 식별하기 위해 통계적 유의성 검정을 적용하여 두 개의 별개 공명 상태를 확인한다.
• D_{sJ}^*(2317) 붕괴가 D_s^*γ, D_sγ, 및 D_sπ⁺π⁻ 최종 상태로 일어나는지 탐색하여 붕괴 분포율을 검증한다.
• 관측된 질량 차이를 L=1 및 J^P = 0⁺ 및 1⁺를 가진 cs̄ 메손에 대한 이론적 예측과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 D_s^*π⁰ 최종 상태에서 약 2.46 GeV/c²에서 날렵한 공명이 존재하는가?
• RQ2 BaBar가 D_sπ⁰ 붕괴 채널에서 관측한 D_{sJ}^*(2317) 상태가 독립적인 CLEO-II 데이터를 사용하여 확인될 수 있는가?
• RQ3 관측된 질량 차이 ΔM_{D_sπ⁰} 및 ΔM_{D_s^*π⁰}는 J^P = 0⁺ 및 1⁺인 두 개의 별개 공명 상태와 일치하는가?
• RQ4 D_{sJ}^*(2317) 상태가 D_s^*γ, D_sγ, 또는 D_sπ⁺π⁻ 최종 상태로 붕괴하는가? 만약 그렇다면, 붕괴 분포율은 얼마인가?
• RQ5 관측된 성질은 두 상태가 L=1 및 J^P = 0⁺ 및 1⁺를 가진 cs̄ 메손으로 해석될 수 있음을 지지하는가?

주요 결과

• D_s^*π⁰ 최종 상태에서 2.46 GeV/c²에서 새로운 날렵한 공명이 관측되었으며, 물리적 상태와 일치하는 유의미한 신호를 보였다.
• D_{sJ}^*(2317) 상태에 대한 질량 차이 ΔM_{D_sπ⁰} = 350.4 ± 1.2[stat.] ± 1.0[syst.] MeV/c²가 측정되어, D_sπ⁰ 붕괴 채널에서의 존재가 확인되었다.
• 2.46 GeV/c²에서 새로운 상태에 대한 질량 차이 ΔM_{D_s^*π⁰} = 351.6 ± 1.7[stat.] ± 1.0[syst.] MeV/c²가 측정되어 별개의 공명 상태임을 시사한다.
• ΔM 분포에서 관측된 두 피크는 배경 모델링과 유사한 ΔM 값으로 인해 통계적으로 유의미하며, 별개의 상태임을 뒷받침한다.
• D_{sJ}^*(2317)가 D_s^*γ, D_sγ, 또는 D_sπ⁺π⁻ 최종 상태로 붕괴하는 증거는 발견되지 않았으며, 이는 붕괴 모드를 제약하는 데 기여한다.
• 관측된 질량 차이 및 양자수 할당은 두 상태가 L=1 및 J^P = 0⁺ 및 1⁺를 가진 cs̄ 메손일 가능성이 있음을 지지한다.