[논문 리뷰] Partial wave analyses of J/psi to gamma pi^+ pi^- and gamma pi^0 pi^0

Ablikim, M.|arXiv (Cornell University)|2006. 03. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 19인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 BES II 실험에서 확보한 5800만 개의 $J/\psi$ 사건을 이용해 $J/\psi \to \gamma\pi^+\pi^-$ 및 $\gamma\pi^0\pi^0$ 붕괴의 부분파 분석을 제시한다. 고전적 공변 텐서 진폭 방법을 사용하여 1466 MeV/$c^2$와 1765 MeV/$c^2$에서 $0^{++}$ 스칼라 상태 두 개를 식별하며, 후자는 $f_0(1710)$ 글루온 후보와 일치한다. 붕괴 분율과 스핀- parity 선호도를 측정하여 가장 가벼운 상태에 대해 $0^{++}$가 $2^{++}$보다 더 유력함을 지지한다.

ABSTRACT

Results are presented on J/psi radiative decays to pi^+pi^- and pi^0pi^0 based on a sample of 58M J/psi events taken with the BESII detector. Partial wave analyses are carried out using the relativistic covariant tensor amplitude method in the 1.0 to 2.3 GeV/c^2 pipi mass range. There are conspicuous peaks due to the f_2(1270) and two 0^++ states in the 1.45 and 1.75 GeV/c^2 mass regions. The first 0^++ state has a mass of 1466\pm 6\pm 20 MeV/c^2, a width of 108^{+14}_{-11}\pm 25 MeV/c^2, and a branching fraction B(J/psi o γf_0(1500) oγπ^+π^-) = (0.67\pm0.02\pm0.30) imes 10^{-4}. Spin 0 is strongly preferred over spin 2. The second 0^++ state peaks at 1765^{+4}_{-3}\pm 13 MeV/c^2 with a width of 145\pm8\pm69 MeV/c^2. If this 0^++ is interpreted as coming from f_0(1710), the ratio of its branching fractions to pipi and K\bar K is 0.41^{+0.11}_{-0.17}.

연구 동기 및 목표

• 반사 붕괴 $J/\psi \to \gamma\pi^+\pi^-$ 및 $\gamma\pi^0\pi^0$ 상태에서 스칼라 공명 상태를 식별하고 특성화하는 것.
• 부분파 분석을 통해 $\pi\pi$ 시스템 내 공명 상태의 스핀-parity 양자수를 결정하는 것.
• $f_0(1500)$ 및 $f_0(1710)$ 상태의 성격을 평가하며, 특히 글루온 후보로서의 가능성에 초점하는 것.
• $J/\psi \to \gamma\pi^+\pi^-$에서 $f_2(1270)$, $f_0(1500)$, $f_0(1710)$의 붕괴 분율 및 붕괴 폭 매개변수를 측정하는 것.
• $f_0(1710)$의 $\pi\pi$ 및 $K\bar{K}$ 붕괴 분율 비율을 기존 PDG 값과 비교하고 글루온 해석을 검증하는 것.

제안 방법

• 부분파 진폭 분석을 통해 $J/\psi \to \gamma\pi^+\pi^-$ 및 $\gamma\pi^0\pi^0$ 붕괴를 모델링하기 위해 상대론적 공변 텐서 진폭 방법을 사용한다.
• 1.0–2.3 GeV/$c^2$ 범위의 $\pi\pi$ 진동 질량 스펙트럼을 $f_2(1270)$, $f_0(1500)$, $f_0(1710)$의 공명 진폭으로 피팅하며 간섭 항목을 포함한다.
• 최대우도 기반 피팅을 통해 질량, 폭, 붕괴 분율, 스핀축 진폭을 추출하고 통계적 및 체계적 오차를 추정한다.
• 모델 의존성과 탄력성을 시험하기 위해 공명 상태 가정을 수정한 대안 피팅(예: $f_4(2050)$ 제거)을 수행한다.
• $f_0(1710)$의 $\pi\pi$ 대 $K\bar{K}$ 붕괴 분율 비율을 PDG 값과 비교하고, $f_0(1790)$ 등의 대안적 해석을 검토한다.
• $\pi^+\pi^-$ 및 $\pi^0\pi^0$ 최종 상태를 모두 분석하여 감도를 향상시키고 모델 편향을 줄이는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 공명 상태들이 $J/\psi \to \gamma\pi^+\pi^-$ 및 $\gamma\pi^0\pi^0$ 붕괴에서 생성되며, 그들의 양자수는 무엇인가?
• RQ2 1.75 GeV/$c^2$에서 관측된 $0^{++}$ 상태는 $f_0(1710)$ 글루온 후보와 일치하는가? 그리고 $\pi\pi$ 대 $K\bar{K}$ 붕괴 분율 비율은 얼마인가?
• RQ3 $f_0(1500)$ 및 $f_0(1710)$의 측정된 질량과 폭이 PDG 값과 이론적 기대치와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 $f_0(1500)$ 상태는 스핀 0인지 스핀 2인지이며, 스핀축 진폭 분석에서의 증거는 무엇인가?
• RQ5 $f_4(2050)$ 공명 상태의 포함 또는 배제에 따라 결과가 얼마나 탄력적인가?

주요 결과

• $f_2(1270)$ 공명 상태는 $J/\psi \to \gamma\pi^+\pi^-$에서 $(9.14 \pm 0.07 \pm 1.48) \times 10^{-4}$의 붕괴 분율로 관측된다.
• $f_0(1500)$ 상태는 질량이 $1466 \pm 6 \pm 20$ MeV/$c^2$, 폭이 $108^{+14}_{-11} \pm 25$ MeV/$c^2$, 붕괴 분율이 $(0.67 \pm 0.02 \pm 0.30) \times 10^{-4}$이다.
• 1.765 GeV/$c^2$에서 관측된 $0^{++}$ 상태는 질량이 $1765^{+4}_{-3} \pm 13$ MeV/$c^2$, 폭이 $145 \pm 8 \pm 69$ MeV/$c^2$이며, $f_0(1710)$과 일치한다.
• $\Gamma(f_0(1710) \to \pi\pi)$ 대 $\Gamma(f_0(1710) \to K\bar{K})$ 비율은 $0.41^{+0.11}_{-0.17}$로 측정되었으며, 오차 범위 내에서 PDG 값과 일치한다.
• $f_0(1500)$ 상태에 대해 스핀-0이 스핀-2보다 강하게 선호되며, 스핀축 진폭은 $x = 0.89 \pm 0.02 \pm 0.10$ 및 $y = 0.46 \pm 0.02 \pm 0.19$이다.
• $f_4(2050)$를 제외한 대안 피팅 결과는 로그우도가 유의미하게 떨어져 주요 피팅 결과의 탄력성을 확인한다.