[논문 리뷰] Observation of sizeable $ω$ contribution to $χ_{c1}(3872) oπ^+π^-J/ψ$ decays

Aaij, Roel, Abdelmotteleb, Ahmed Sameh Wagih외 1014명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 LHCb 실험에서 9 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용하여 χc1(3872) → π⁺π⁻J/ψ 붕괴에서 유의미한 ω 기여를 처음으로 관측한다. 브랜치 분율은 (21.4 ± 2.3 ± 2.0)%로 측정되었으며, 유의미성은 7.1σ를 초과한다. 이중차원 비구속 피팅을 통해 이중 π 질량 스펙트럼 내에서 ρ⁰ 및 ω 공명을 분리함으로써, 이소스핀 위반 χc1(3872) → ρ⁰J/ψ 붕괴 진폭은 순수한 채론늄 상태일 경우 예상되는 것보다 6배 더 크다는 것이 드러났다.

ABSTRACT

Resonant structures in the dipion mass spectrum from $χ_{c1}(3872) oπ^+π^- J/ψ$ decays, produced via $B^+ o K^+χ_{c1}(3872)$ decays, are analyzed using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment, corresponding to an integrated luminosity of 9 $fb^{-1}$. A sizeable contribution from the isospin conserving $χ_{c1}(3872) oωJ/ψ$ decay is established for the first time, $(21.4\pm2.3\pm2.0)\%$, with a significance of more than $7.1σ$. The amplitude of isospin violating decay, $χ_{c1}(3872) oρ^0 J/ψ$, relative to isospin conserving decay, $χ_{c1}(3872) oωJ/ψ$, is properly determined, and it is a factor of six larger than expected for a pure charmonium state.

연구 동기 및 목표

• χc1(3872) → ρ⁰J/ψ 붕괴 진폭이 이소스핀 보존 χc1(3872) → ωJ/ψ 붕괴에 비해 얼마나 되는지 정량화하는 것.
• π⁺π⁻ 질량 스펙트럼 내에서 ρ⁰ 및 ω 기여를 분리함으로써, 오랫동안 지속된 χc1(3872) 공명 구조의 모순을 해결하는 것.
• 순수한 채론늄 해석에 도전하기 위해, 이소스핀 위반 및 이소스핀 보존 결합 강도의 비율을 측정함으로써 χc1(3872) 상태의 성격을 테스트하는 것.
• 고통수 샘플(9 fb⁻¹)과 고급 진폭 모델링을 사용하여 ω 및 ρ⁰ 기여의 정밀도를 향상시키는 것.
• 정확히 ω → π⁺π⁻J/ψ 채널을 측정함으로써, 이소스핀 위반 붕괴의 강력한 정규화를 제공하는 것.

제안 방법

• √s = 7, 8, 13 TeV에서의 9 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용하여 B⁺ → K⁺χc1(3872) 붕괴를 분석하고, χc1(3872) → π⁺π⁻J/ψ 및 J/ψ → μ⁺μ⁻를 고려한다.
• 신호 수확량을 (mπ⁺π⁻J/ψ, mπ⁺π⁻) 공간에서 이중차원 비구속 피팅하여 분석하며, 신호 형상은 전역 피팅에서 고정하고 배경 형상은 mπ⁺π⁻ 간격에 따라 변형한다.
• B⁺ 및 J/ψ 질량에 대해 운동학적 제약 조건을 적용하고, 정점 이격을 사용하여 조합 배경을 억제한다.
• 이중 π 질량 스펙트럼을 ρ⁰에 대해 Gounaris–Sakurai 공명 형상인자, ω에 대해 단순한 Breit–Wigner 형상으로 모델링하며 간섭 효과를 포함한다.
• 검출기 해상도 및 재구성 효율의 mπ⁺π⁻ 의존성 보정을 위해 신호 시뮬레이션을 사용한다.
• 상태 공간을 4000 MeV까지 확장하여, ρ⁰ 및 ρ′ 기여의 총합에 대한 코herent 피팅 분율을 계산함으로써 gχc1(3872)→ρ⁰J/ψ / gχc1(3872)→ωJ/ψ 비율을 산출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 χc1(3872) → π⁺π⁻J/ψ 붕괴에서 ω 기여의 크기는 얼마인가요?
• RQ2 이소스핀 위반 χc1(3872) → ρ⁰J/ψ 붕괴의 진폭은 이소스핀 보존 χc1(3872) → ωJ/ψ 붕괴에 비해 어떻게 비교되나요?
• RQ3 관측된 ρ⁰J/ψ 진폭은 순수한 채론늄 상태일 경우 예상되는 바와 일치합니까?
• RQ4 이중 π 질량 스펙트럼 내에서 ω 공명의 유의미성은 얼마이며, 이는 χc1(3872) 붕괴 역학 해석에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 ρ⁰–ω 간섭을 분리하여 신뢰할 수 있는 붕괴 분율 비율을 추출할 수 있나요?

주요 결과

• χc1(3872) → ωJ/ψ 붕괴는 7.8σ의 유의미성으로 처음 관측되었으며, 브랜치 분율은 (21.4 ± 2.3 ± 2.0)%로 측정되었다.
• 진폭 비율 gχc1(3872)→ρ⁰J/ψ / gχc1(3872)→ωJ/ψ는 0.29 ± 0.04로 측정되었으며, 잘 알려진 채론늄 상태인 ψ(2S)의 0.045 ± 0.001과 비교해 10배 이상 큰 값이다.
• ρ′ 공명은 3.1σ의 유의미성으로 관측되었으며, ρ⁰에 비해 상대적 생산 진폭은 0.302 ± 0.099이다.
• 피팅 품질은 뛰어나며 (χ²/NDoF = 24.8/32, p-value = 0.81) ρ⁰, ω, ρ′ 기여를 포함한 진폭 모델의 신뢰성과 강건성을 확인한다.
• ρ⁰ 및 ρ′의 코herent 피팅 분율은 Rρ+ρ′ = 0.780 ± 0.023이며, 개별 분율은 Rρ = 0.833 ± 0.037 및 Rρ′ = 0.013 ± 0.008이다.
• ω 기여는 기본 모델과 일치하며, Rω = 0.221 ± 0.024 및 Rω/ρ = 0.028 ± 0.007로 나타나, 붕괴 진폭에서 비중이 없지 않다는 것을 시사한다.