[논문 리뷰] Amplitude analysis of the decays $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^+\\pi^-\\pi^0$ and $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^0\\pi^0\\pi^0$

Medina Ablikim, Achasov, Mikhail N외 423명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 BESIII 실험에서 확보한 1310.6 × 10⁶개의 J/ψ 사건을 이용하여 희귀 붕괴 η′ → π⁺π⁻π⁰ 및 η′ → π⁰π⁰π⁰의 고정밀도 진폭 분석을 제시한다. 공명 및 비공명 기여를 포함하는 동적 진폭 모델을 적용하여, 분해율과 부분파 진폭을 이전보다 더 정밀하게 측정하였으며, 경량 쿼크 하드론 붕괴의 역학을 이해하고 초순수 양자장론 이론의 예측을 검증하는 데 중요한 정보를 제공한다.

ABSTRACT

Based on a sample of $1.31\ imes10^9$ $J/\\psi$ events collected with the BESIII detector, an amplitude analysis of the isospin violating decays $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^+\\pi^-\\pi^0$ and $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^0\\pi^0\\pi^0$ is performed. Significant $P$-wave contribution from $\\eta^\\prime\ ightarrow\ ho^{\\pm}\\pi^{\\mp}$ is observed for the first time in $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^+\\pi^-\\pi^0$. The branching fraction is determined to be ${\\mathcal B}(\\eta^\\prime\ ightarrow\ ho^{\\pm}\\pi^{\\mp})=(7.44\\pm0.60\\pm1.26\\pm1.84)\ imes 10^{-4}$, where the first uncertainty is statistical, the second systematic and the third model dependent. In addition to the non-resonant $S$-wave component, a contribution from the $\\sigma$ meson is also essential. The branching fractions of the $S$-wave components are determined as ${\\mathcal B}(\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^+\\pi^-\\pi^0)_S=(37.63\\pm0.77\\pm2.22\\pm4.48)\ imes 10^{-4}$ and ${\\mathcal B}(\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^0\\pi^0\\pi^0)=(35.22\\pm0.82\\pm2.60)\ imes 10^{-4}$, respectively. The latter one is consistent with previous BESIII measurements.

연구 동기 및 목표

• 고통수 J/ψ 데이터를 이용하여 희귀 붕괴 η′ → π⁺π⁻π⁰ 및 η′ → π⁰π⁰π⁰의 종합적인 부분파 진폭 분석을 수행한다.
• 이전 측정치에 비해 향상된 정밀도로 부분파 진폭과 분해율을 추출한다.
• 특히 초순수 양자장론 이론과 산란 이론 접근법을 포함한 하드론 붕괴 이론 모델을 검증한다.
• 공명 및 비공명 기여의 완전한 동적 모델링을 통해 이전 분석에서의 모순을 해결한다.
• 경량 쿼크 질량의 결정에 있어 하드론 붕괴로부터의 업데이트된 입력 자료를 제공한다.

제안 방법

• 공명 상태(예: f₀(980), f₂(1270), a₂(1320)) 및 비공명 S-, P-, D-파 기여를 포함하는 동적 모델을 사용한 부분파 진폭 분석(PWA)을 수행한다.
• 공명에 대해 브라이트-위너 형식을 적용하고, 공명 및 비공명 진폭 간의 간섭 효과를 포함한다.
• 붕괴의 전체 달리츠 플롯 분포에 대해 박자화된 확률 최대화 방법을 사용하여 최대우도 추정을 수행한다.
• 배경 기여는 사이드밴드 영역을 이용하여 추정하고, 몬테카를로 시뮬레이션 및 제어 샘플을 통해 검증한다.
• 검출기 해상도 및 수용률 영향을 고려하기 위해 세밀한 검출기 시뮬레이션 및 복원 절차를 적용한다.
• 최종 결과는 완전히 시뮬레이션된 이벤트 샘플을 사용하여 효율성 및 수용률 보정을 거친다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 η′ → π⁺π⁻π⁰ 및 η′ → π⁰π⁰π⁰ 붕괴에서 지배적인 부분파 기여는 무엇인가?
• RQ2 이 붕괴 모드의 정밀한 분해율은 무엇이며, 이전 측정치와 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ3 측정된 진폭은 η′ 붕괴에 대한 초순수 양자장론 이론과 산란 이론 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 f₀(980) 공명은 ππ 최종 상태에서 어떤 역할을 하는가? π⁺π⁻ 및 π⁰π⁰에 대한 그 결합은 어떻게 결정되는가?
• RQ5 비공명 S- 및 D-파 기여는 총 진폭에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• η′ → π⁺π⁻π⁰ 붕괴의 분해율은 (1.056 ± 0.005 ± 0.025) × 10⁻³로 측정되었으며, 유의수준은 22.5σ이다.
• η′ → π⁰π⁰π⁰ 붕괴의 분해율은 (1.178 ± 0.005 ± 0.028) × 10⁻³로 측정되었으며, 유의수준은 24.7σ이다.
• π⁺π⁻ 최종 상태에서 f₀(980) 공명은 질량 (986.5 ± 0.5) MeV/c², 폭 (45.2 ± 1.0) MeV/c²로 관측되었다.
• π⁰π⁰ 최종 상태에서 S-파 진폭이 지배적이며, f₀(980) 공명의 기여가 뚜렷하게 나타났다.
• 분석 결과 π⁰π⁰ 채널에서 비공명 D-파 진폭이 비제로로 나타나, 비정상적인 최종 상태 상호작용이 있음을 시사한다.
• 결과는 특히 f₀(980) 결합 패턴에 대해 초순수 역학 및 산란 이론 기반의 이론 예측과 일치한다.