[論文レビュー] Search for $C=+$ charmonium states in $e^+e^- o \gamma+~X$ at BEPCII/BESIII

Kuang-Ta Chao, Zhi-Guo He+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、BEPCII/BESIIIのエネルギー（√s = 4.0–5.0 GeV）におけるe⁺e⁻ → γ + X過程において、次-leading order（NLO）のαsにおける非相対論的QCD（NRQCD）因子化を用いて、C = + チャーミオン状態（ηc, η′c, χcJ）の生成断面積を評価している。断面積は0.1–0.9 pbの範囲にあり、未発見の2P チャーミオン状態の探索に有効なチャンネルを提供するとともに、共鳴領域における連続的背景の推定を行う。

ABSTRACT

We extend our original study in Ref. [1] on the production of $C=+$ charmonium states $X=\eta_c(1S/2S)$ and $\chi_{cJ}(1P/2P)$ in $e^+e^- o\gamma~+~X$ at B factories to the BEPCII/BESIII energy region with $\sqrt{s}=4.0\mbox{-}5.0$ GeV. In the framework of nonrelativistic QCD factorization, the cross sections are estimated to be as large as $0.1\mbox{-}0.9$ pb. The results could be used to search for the missing $2P$ charmonium states or to estimate the continuum backgrounds in the resonance region.

研究の動機と目的

• BEPCII/BESIIIのエネルギー（√s = 4.0–5.0 GeV）におけるe⁺e⁻ → γ + X過程におけるC = + チャーミオン状態（ηc, η′c, χcJ）の生成断面積を再評価し、Bファクトリーのエネルギー領域での先行研究を拡張すること。
• 4–5 GeV領域における共鳴信号と連続的背景の分離を助けるために、2P チャーミオン状態からの非共鳴的寄与を評価すること。
• 理論的予測と将来の測定値を比較することで、NRQCDの長距離行列要素（LDME）の普遍性を検証すること。
• Z(3930) やX(3872)といったXYZ状態の候補であるχc2(2P) やχc1(2P) といった未発見の2P チャーミオン状態の探索のための定量的推定を提供すること。

提案手法

• αsの次-leading order（NLO）における非相対論的QCD（NRQCD）因子化フレームワークを用いて、e⁺e⁻ → γ + X過程の断面積を計算する。
• NRQCDから導出された解析的断面積式を用い、スピンおよび角運動量のClebsch-Gordan係数と色-SU(3)係数を含める。
• オン-shell正則化を用いた1ループQCD補正を適用し、紫外および赤外発散を処理する。クーロン特異性はマッチングによりLDMEに吸収される。
• P波状態（χcJ）における閾値特異性を軽減するため、修正された相空間因子を導入する。
• 具体的な中心系エネルギー（4.04–5.0 GeV）における断面積を数値的に評価し、√s = 4.26 GeVにおけるχc1およびχc2の生成の角度分布も計算する。
• Bファクトリーのエネルギー領域（√s ≈ 10.6 GeV）における先行計算および独立した研究と比較し、閾値特異性の取り扱いの違いに起因する差異を指摘する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BEPCII/BESIIIエネルギー領域（√s = 4.0–5.0 GeV）におけるe⁺e⁻ → γ + ηc(1S/2S)およびχcJ(1P/2P)のNLO-QCD補正済み断面積は何か？
• RQ2 2P チャーミオン状態の断面積はエネルギーにどのように依存するか？ また、χc2(2P) といった未発見の2P チャーミオンをプローブするのに利用可能か？
• RQ3 2P チャーミオンからの非共鳴的寄与は、4–5 GeV領域における共鳴信号の解釈にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 理論的予測は、特にX(3872)生成に関して実験的測定とどのように一致するか？ これによりその性質について何が示唆されるか？
• RQ5 e⁺e⁻ → γ + X(3872)の測定断面積は、χc1(2P)成分による非共鳴的生成で説明可能か？ それともE1遷移による共鳴的寄与が必要か？

主な発見

• √s = 4.0–5.0 GeVにおけるe⁺e⁻ → γ + ηc(1S/2S)およびχcJ(1P/2P)の理論的断面積は0.1–0.9 pbの範囲にあり、Bファクトリー領域で観測された数10 fbよりも顕著に大きい。
• √s = 4.04 GeVにおけるηc(1S)の断面積は0.91 pb、χc2(2P)では0.16 pbであり、BEPCII/BESIIIで測定可能な率であることが示された。
• X(3872)が主にχc1(2P)状態であると仮定した場合、e⁺e⁻ → γ + X(3872)の断面積は0.15 pbと推定されるが、これは観測された実験的断面積よりもはるかに小さい。
• 理論的予測（0.15 pb）と実験データとの乖離は、観測信号がE1遷移による共鳴的寄与またはエキゾチックなメカニズムによって支配されている可能性を示唆している。
• e⁺e⁻ → γ + Xにおけるχc2(1P/2P)生成断面積は、間接的光子衝突におけるものと比べて桁違いに大きく、e⁺e⁻結合による直接生成の支配的寄与を確認した。
• NLO QCD補正および修正された相空間因子の導入により、特に閾値近傍においてP波振幅の物理的でない特異性が緩和され、結果の信頼性が向上した。