[論文レビュー] Measurement of the $e^+e^- oπ^+π^-π^0$ cross section from 0.7 GeV to 3.0 GeV via initial-state radiation

F. De Mori, М. Н. Ачасов+487 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、BESIII実験で初期状態放射（ISR）を用いて、0.7から3.0 GeVのエネルギー範囲で $e^+e^- \to \pi^+\pi^-\pi^0$ 截面を測定し、ミュオンの異常磁気モーメントの $a_\mu^{3\pi}$ 捐献に対して不確かさを40%低減した。結果は $(49.77 \pm 0.53 \pm 0.17) \times 10^{-10}$ であり、このエネルギー範囲で最初の単一実験による決定であり、2$\sigma$以内で以前の測定と良好に一致しており、1.6 GeV/$c^2$ に位置する $\omega(1650)$ 共鳴状態の明確な信号が得られた。3$\pi$質量スペクトルは、$\omega$、$\phi$、$\omega(1420)$、$\omega(1650)$ 共鳴状態の重ね合わせでよく記述され、製品分岐比はPDGおよびBaBarの値と整合的である。

ABSTRACT

The cross section of the process $e^+e^- oπ^+π^-π^0$ is measured with a precision of 1.6% to 25% in the energy range between $0.7$ and 3.0 GeV using the Initial State Radiation method. A data set with an integrated luminosity of $2.93$fb$^{-1}$ taken at the center-of-mass energy of $\sqrt{s}=3.773$GeV with the BESIII detector at the BEPCII collider is used. The product branching fractions for $ω$, $ϕ$, $ω(1420)$, and $ω(1650)$ are measured to be $\mathcal{B}(ω o e^+e^-) imes \mathcal{B}(ω o π^+π^-π^0)=(6.94\pm0.08\pm0.16) imes 10^{-5}$, $\mathcal{B}(ϕ o e^+e^-) imes \mathcal{B}(ϕ oπ^+π^-π^0) = (4.20\pm0.08\pm0.19) imes 10^{-5}$, $\mathcal{B}(ω(1420) o e^+e^-) imes \mathcal{B}(ω(1420) o π^+π^-π^0) = (0.84\pm0.09\pm0.09) imes 10^{-6}$, and $\mathcal{B}(ω(1650) o e^+e^) imes \mathcal{B}(ω(1650) o π^+π^-π^0) = (1.14\pm0.15\pm0.15) imes10^{-6}$, respectively. The branching fraction $\mathcal{B}(J/ψ o π^+π^-π^0)$ is measured to be $(2.188 \pm 0.024 \pm 0.024 \pm0.040 (Γ_{ee}^{J/ψ}))\%$, where $Γ_{ee}^{J/ψ}$ is the dileptonic width of $J/ψ$. The first errors are of statistical, the second and third ones of systematic nature.

研究の動機と目的

• BESIII実験における初期状態放射（ISR）を用いて、0.7–3.0 GeVのエネルギー範囲で高い精度で $e^+e^- \to \pi^+\pi^-\pi^0$ 截面を測定すること。
• より高い精度で $\pi^+\pi^-\pi^0$ 最終状態がミュオンの異常磁気モーメント $a_\mu^{3\pi}$ に寄与する部分を決定すること。
• $\pi^+\pi^-\pi^0$ 質量スペクトルにおける共鳴構造、特に $\omega(1650)$ 共鳴状態を特定し、研究すること。
• 3.0 GeV/$c^2$ 以上の未タグ付きデータから $J/\psi \to \pi^+\pi^-\pi^0$ の製品分岐比を抽出し、以前の結果よりも精度を高めること。

提案手法

• 截面は初期状態放射（ISR）技術を用いて測定され、$\sqrt{s} = 3.773$ GeV での $e^+e^-$ 衝突が、ハード光子を伴う最終状態を生成し、0.7 GeV まで $\sqrt{s}$-依存の截面を再構築する。
• ISR法により、1つのデータサンプルから広い中心系エネルギー範囲にアクセスでき、統計的効率が向上し、系統的不確かさが低減される。
• チャージドパイオンと光子のコンバージョンから得られるニュートラルパイオンを用いて $\pi^+\pi^-\pi^0$ 最終状態を再構築し、運動量フィットを適用して分解能を向上させる。
• 終状態放射（FSR）補正には、$\sigma^{\rm FSR} = \sigma^{\rm Born}\left(1 + F(s)\frac{\alpha}{\pi}\right)$ の式を用い、$F(s)$ は参考文献 c_FSRamu から導出される。
• 式 (1) の積分に補正済み截面 $\sigma^{\rm FSR}$ を用いて $a_\mu^{3\pi}$ 捐献を計算する。
• $\pi^+\pi^-\pi^0$ 質量スペクトルにおける共鳴構造は、$\omega$、$\phi$、$\omega(1420)$、$\omega(1650)$ の重ね合わせとしてモデル化され、データからフィットパラメータが抽出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ISR技術を用いて測定された0.7から3.0 GeVの範囲における $e^+e^- \to \pi^+\pi^-\pi^0$ 截面は、どれほど正確に測定されたか？
• RQ2 このエネルギー範囲における $\pi^+\pi^-\pi^0$ 最終状態が、ミュオンの異常磁気モーメント $a_\mu^{3\pi}$ に与える寄与は何か？
• RQ3 $\pi^+\pi^-\pi^0$ 最終状態に $\omega(1650)$ 共鳴状態の証拠があるか？ その信号は以前の測定とどのように比較されるか？
• RQ4 1.8 GeV/$c^2$ 未満の $\pi^+\pi^-\pi^0$ 質量スペクトルは、$\omega$、$\phi$、$\omega(1420)$、$\omega(1650)$ 共鳴状態の重ね合わせでよく記述できるか？
• RQ5 $J/\psi \to \pi^+\pi^-\pi^0$ の製品分岐比は何か？ そして、以前の結果とどのように比較されるか？

主な発見

• $a_\mu^{3\pi}$ 捐献は0.7から3.0 GeVの範囲で $(49.77 \pm 0.53 \pm 0.17) \times 10^{-10}$ と測定され、以前の平均値と比較して不確かさが40%低減された。
• 1.6 GeV/$c^2$ 付近に $\omega(1650)$ 共鳴状態の明確な信号が観測され、BaBarの測定と整合的であるが、DM2の結果よりも顕著に高い。
• 1.8 GeV/$c^2$ 未満の $\pi^+\pi^-\pi^0$ 質量スペクトルは、$\omega$、$\phi$、$\omega(1420)$、$\omega(1650)$ 共鳴状態の重ね合わせでよく記述できる。
• $J/\psi \to \pi^+\pi^-\pi^0$ の製品分岐比は、より高い精度で抽出され、BaBarおよびBESIIIの以前の測定結果と良好に一致した。
• 抽出された製品分岐比は、PDG 2014値およびBaBarの結果と整合的であり、共鳴モデルおよび解析手法の妥当性が裏付けられた。
• この測定は、このエネルギー範囲で $a_\mu^{3\pi}$ を単一実験で初めて決定したものであり、$a_\mu$ のハドロン的真空偏移寄与への重要な入力となる。