[논문 리뷰] Observation of $e^+ e^- o ηY(2175)$ at center-of-mass energies above 3.7$\sim$GeV

F. De Mori, М. Н. Ачасов외 427명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 13.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 BESIII 데이터를 사용하여 3.7 GeV 이상의 질량 중심계 에너지에서 $e^+e^- \to \eta Y(2175)$ 과정의 최초 관측를 보고한다. $Y(2175)$ 공명은 질량 $2135 \pm 8 \pm 9$ MeV/$c^2$ 와 너비 $104 \pm 24 \pm 12$ MeV로 측정되었으며, 이는 이전 측정과 일치한다. 반면, $\psi(3686) \to \eta Y(2175)$ 붕괴는 유의미한 신호로 관측되지 않아 12% 규칙에 비해 강한 억제됨을 시사한다.

ABSTRACT

The state $Y(2175)$ is observed in the process $e^+ e^- o ηY(2175)$ at center-of-mass energies between 3.7 and 4.6$\sim$GeV with a statistical significance larger than $10σ$ using data collected with the BESIII detector operating at the BEPCII storage ring. This is the first observation of the $Y(2175)$ in this process. The mass and width of the $Y(2175)$ are determined to be ($2135\pm 8\pm 9$)~MeV/$c^2$ and ($104\pm 24\pm 12$)~MeV, respectively, and the production cross section of $e^+ e^- o ηY(2175) o ηϕf_{0}(980) o ηϕπ^+ π^-$ is at a several hundred femtobarn level. No significant signal for the process $e^+ e^- o η' Y(2175)$ is observed and the upper limit on $σ(e^+ e^- o η' Y(2175))/σ(e^+ e^- o ηY(2175))$ is estimated to be 0.43 at the 90\% confidence level. We also search for $ψ(3686) o ηY(2175)$. No significant signal is observed, indicating a strong suppression relative to the corresponding $J/ψ$ decay, in violation of the "12\% rule."

연구 동기 및 목표

• 3.7 GeV 이상의 질량 중심계 에너지에서 $e^+e^- \to \eta Y(2175)$ 과정의 탐색 및 관측.
• 이 최종 상태에서 $Y(2175)$ 공명의 질량과 너비 측정.
• $Y(2175) \to \phi \pi^+ \pi^-$ 붕괴 동역학을 조사하고 $Z_s \to \phi \pi$ 와 같은 이례적 상태의 징후를 테스트.
• 에너지에 따른 단면적의 행동을 분석하고 이론적 예측과 비교.
• $\psi(3686) \to \eta Y(2175}$ 붕괴에 대한 한계를 설정하고 12% 규칙에 비해 억제되는지 평가.

제안 방법

• BESIII 검출기에서 $\sqrt{s} = 3.773$, 4.008, 4.226, 4.258, 4.358, 4.416, 4.600 GeV 에서 수집된 데이터를 $e^+e^- \to \eta Y(2175)$ 를 분석하기 위해 사용.
• $Y(2175)$ 신호는 $\eta Y(2175)$ 의 진동 질량 재구성과 사이드밴드 영역을 이용한 배경 제거를 통해 추출된다.
• 체계적 불확실성은 배경 형상의 변형과 독립된 원인을 고려하여 평가되며, 제곱근 합산 방식으로 통합된다.
• $Y(2175) \to \phi \pi^+ \pi^-$ 의 달리츠 플롯을 분석하여 $\phi f_0(980)$ 성분과 $Z_s$ 상태의 존재 여부를 조사.
• 단면적의 에너지 의존성을 $\sigma \propto 1/s^n$ 으로 피팅하여 $n = 2.65 \pm 0.86$ 를 도출함으로써 $Y(2175)$ 의 성질을 탐색.
• 90% 신뢰 수준에서 프로파일-가능도 방법을 사용하여 $\psi(3686) \to \eta Y(2175)$ 와 $\eta' Y(2175}$ 최종 상태에 대한 상한을 설정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3.7 GeV 이상의 질량 중심계 에너지에서 $e^+e^- \to \eta Y(2175)$ 과정는 관측 가능한가?
• RQ2 $\eta Y(2175)$ 최종 상태에서 $Y(2175)$ 공명의 질량과 너비는 무엇인가?
• RQ3 $Y(2175) \to \phi \pi^+ \pi^-$ 붕괴는 주로 $\phi f_0(980)$ 성분을 차지하는가, 아니면 $Z_s$ 상태의 증거가 있는가?
• RQ4 단면적의 에너지 의존성은 벡터-표본 final state에 대한 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 $\psi(3686) \to \eta Y(2175}$ 붕괴는 12% 규칙에 비해 억제되어 있는가? 이는 $Y(2175)$ 의 구조에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• $Y(2175)$ 공명은 질량 $2135 \pm 8 \pm 9$ MeV/$c^2$ 와 너비 $104 \pm 24 \pm 12$ MeV로 관측되었으며, 이는 이전 측정과 일치한다.
• $e^+e^- \to \eta Y(2175)$ 의 단면적은 $1/s^n$ 에너지 의존성을 보이며 $n = 2.65 \pm 0.86$ 로 도출되어, 일반적인 벡터 쿼크onium 붕괴와는 다름을 시사한다.
• $\psi(3686) \to \eta Y(2175)$ 에서는 유의미한 신호가 관측되지 않았으며, 제품 분포율은 90% 신뢰 수준에서 $< 2.2 \times 10^{-6}$ 로 제한된다.
• $\mathcal{B}^*(\psi(3686) \to \eta Y(2175)) / \mathcal{B}^*(J/\psi \to \eta Y(2175))$ 의 비율은 $(0.23 \pm 0.29 \pm 0.13)$% 로 측정되었으며, 90% 신뢰 수준에서 0.65% 미만으로 제한되어 강한 억제됨을 시사한다.
• $e^+e^- \to \eta' Y(2175)$ 에서는 유의미한 신호가 관측되지 않았으며, 단면적 비율 $\sigma(\eta' Y(2175)) / \sigma(\eta Y(2175))$ 는 90% 신뢰 수준에서 0.43 이하로 제한된다.
• 달리츠 플롯 분석 결과, $\phi f_0(980)$ 이 $Y(2175) \to \phi \pi^+ \pi^-$ 에서 주요 성분이며, $Z_s \to \phi \pi$ 상태의 증거는 없었다.