[논문 리뷰] The Saga of $h_c$ and $h_b$ Search in Heavy Quarkonia

T. Barnes, T. E. Browder외 1명|ArXiv.org|2004. 08. 05.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 케론늄 및 바텀늄 스펙트로스코피에서 $h_c$ 및 $h_b$ 상태의 실험적 및 이론적 상태를 비판적으로 검토하며, E760, E835, CLEO, BABAR, BELLE 데이터에 초점을 맞춘다. 논문은 E760에서 관측된 $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0$ 붕괴 모드가 잘못된 $M_{\pi\pi}$ 컷으로 인해 억제될 가능성이 높다고 주장하며, $\gamma\gamma$ 충돌 및 $B \to h_c K/K^*$ 붕괴를 이용한 $\gamma\eta_c$ 및 $\gamma\eta_b$ 최종 상태를 통해 $h_c$ 및 $h_b$를 탐지하기 위한 향상된 검색 전략을 제안한다.

ABSTRACT

In this brief review, we examine carefully and critically the status of search for the $h_c$ [$ψ(1^1P_1)$] charmonium state and the $h_b$ [$Υ(1^1P_1)$] bottonium state, initiated by the E760 experiment. Recent experimental studies at CLEO/BABAR/BELLE are examined in the light of new theoretical and phenomenological understanding.

연구 동기 및 목표

• E760에서 관측된 $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0$ 붕괴에 대한 실험적 증거를 재평가하여, 특히 논란의 여지가 있는 E760 관측 결과를 재검토한다.
• $\psi(1^1P_1) \to p\bar{p}$ 및 $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi\pi$ 붕괴 비율에 대한 이론적 예측과 실험 측정치 사이의 괴리를 해결한다.
• $\gamma\gamma$ 충돌 및 $B$-메손 붕괴를 이용한 $\gamma\eta_c$ 및 $\gamma\eta_b$ 최종 상태를 통해 $h_c$ 및 $h_b$를 탐지하기 위한 향상된 탐지 전략을 제안한다.
• CLEO 및 BES 데이터를 이용해 $\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi$ 붕괴에 대한 쿠앙-얀 다극자 모델의 타당성을 평가한다.
• 향후 $h_{c,b}$ 탐색을 위한 핵심 대상으로 케론늄 및 바텀늄에서의 $1^1D_2$ 상태를 식별하며, $1^1D_2 \to \gamma h_{c,b} \to \gamma\gamma\eta_{c,b}$ 계단식 붕괴를 통한 효율적인 원천으로 활용 가능함을 제안한다.

제안 방법

• 업데이트된 이론 모델을 사용하여 $\psi(1^1P_1)$ 붕괴, 특히 $J/\psi + \pi^0$ 및 $J/\psi + \pi\pi$ 모드에 대한 E760 및 E835 데이터를 재평가한다.
• 질량 보정이 적용된 구성 입자 쿼크 모델을 사용하여 $\Gamma(\psi(1^1P_1) \to p\bar{p})$를 추정하며, $\eta_c \to p\bar{p}$에서 유도된 186 eV 값과 일치함을 확인한다.
• 쿠앙-얀 다극자 모델을 적용하여 $\Gamma(\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi)$를 예측하고, CLEO의 상한값인 $2.7 \times 10^{-4}$와 비교한다.
• $\sqrt{s} = 3.7$ GeV에서 고광도 $\gamma\gamma$ 충돌을 이용한 검색 채널로 $\gamma\gamma \to \eta_c'$, $\eta_c' \to \gamma h_c$, $h_c \to \gamma\eta_c$를 제안한다.
• $h_c \to \gamma\eta_c$를 수반하는 $B \to h_c K/K^*$ 붕괴를 분석하여, BELLE/BABAR에서의 고 $\gamma\gamma$ 광도를 활용한 $h_c$ 탐지 가능성 있는 경로를 제시한다.
• $2^3S_1 - 1^3D_1$ 혼합이 $c\bar{c}$ 및 $b\bar{b}$ 붕괴 비율을 조율하는 데 기여하는 바를 평가하며, 특히 $\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi$ 붕괴에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 E760에서 관측된 $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0$ 붕괴 비율은 이론적 기대와 다른가, 그리고 다른 측정치와도 불일치하는가?
• RQ2 $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi\pi$ 붕괴의 진짜 분포율은 얼마이며, 약 6 keV로 추정되는 이론적 예측과 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ3 왜 $\gamma\eta_c$ 붕괴 모드는 E760에서 관측되지 않았는가? 이는 예상되는 주요 모드임에도 불구하고.
• RQ4 CLEO의 상한값을 고려할 때, $\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi$ 붕괴 폭을 예측하는 데 쿠앙-얀 다극자 모델의 신뢰도는 어느 정도인가?
• RQ5 케론늄 및 바텀늄에서의 $1^1D_2$ 상태는 $\gamma$-rich 계단식 붕괴를 통해 $h_c$ 및 $h_b$를 효율적으로 생성하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• E760에서 관측된 $BR(\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0) > 5.5 \times 10^{-3}$ (90% 신뢰수준) 결과는 $M_{\pi\pi} > 80\%$ 컷으로 인해 신호 이벤트의 73%를 제거하므로, 잘못된 것으로 간주된다.
• 구성 입자 쿼크 질량 보정을 사용한 이론적 추정치로 $\Gamma(\psi(1^1P_1) \to p\bar{p})$는 1–10 eV로 도출되나, $\eta_c \to p\bar{p}$에서 유도된 186 eV 값과 일치하지 않는다.
• 쿠앙-얀 모델에서 $\alpha_M = \alpha_E$를 적용하면 $\Gamma(\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0)$는 약 0.3 keV로 추정되며, 이는 실험 제약 조건과 일치한다.
• 쿠앙-얀 모델이 예측하는 $\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi$ 붕괴 비율(~24 keV)은 CLEO의 상한값인 $2.7 \times 10^{-4}$와 불일치하므로, 모델의 한계를 시사한다.
• 10,161 MeV에 위치한 $\Upsilon(1D)$ 상태는 $\Upsilon(1^3D_2)$로 간주되며, 격자 QCD 및 잠재력 모델과 양호한 일치를 보이며, 예측의 불확도가 약 0.02 GeV임을 지지한다.
• $h_c$ 탐지에 유망한 경로로 $\gamma\gamma \to \eta_c'$, $\eta_c' \to \gamma h_c$ (부분 폭 약 49 keV), $h_c \to \gamma\eta_c$ (부분 폭 약 494 keV)를 제안하며, $\sqrt{s} = 3.7$ GeV에서 고 $\gamma\gamma$ 광도가 필요하다.