[论文解读] A search for J^{PC}=1^{-+} exotic mesons in the pi- pi- pi+ and pi- pi0 pi0 systems

A. Dzierba, R. E. Mitchell+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2005

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 12

一句话总结

本研究在18 GeV/$c$能量下对$\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$和$\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$末态进行了高统计量的部分波分析，采用独立幅值模型搜索$J^{PC}=1^{-+}$的胶球态。尽管早期研究提示存在约1.6~\text{GeV}/c^2的共振态，但在更大数据样本中未发现$\pi_1(1600)$或任何$1^{-+}$胶球态的证据，该样本表现出一致的同位旋行为，并且部分波集合收敛性得到改善。

ABSTRACT

A partial wave analysis (PWA) of the pi-pi-pi+ and pi-pi0pi0 systems produced in the reaction pi- p -> (3pi)-p at 18 GeV/c was carried out using an isobar model assumption. This analysis is based on 3.0M pi-pi0pi0 events and 2.6M pi-pi-pi+ events and shows production of the a2(1320), pi2(1670) and π(1800) mesons. An earlier analysis of 250K pi-pi-pi+ events from the same experiment showed possible evidence for a J^{PC}=1^{-+}$ exotic meson with a mass of 1.6 GeV/c^2 decaying into rho pi. In this analysis of a higher statistics sample of the (3pi)- system in two charged modes we find no evidence of an exotic meson.

研究动机与目标

• 在$\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$和$\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$末态中搜索$J^{PC}=1^{-+}$胶球态，特别是$\pi_1(1600)$。
• 在更高统计量的数据样本中检验早期报道的1.6~\text{GeV}/c^2的$1^{-+}$共振态是否存在。
• 通过比较两种电荷模式下不同探测器响应的结果，验证独立幅值模型部分波分析（PWA）的可靠性。
• 通过使用逐步完整的部分波集合（包括更高角动量波）来评估$1^{-+}$信号的稳健性。
• 通过提高部分波集合的完整性与拟合稳定性，判断1.6 GeV处的$1^{-+}$增强是否为统计涨落或真实共振态。

提出的方法

• 采用独立幅值模型对$\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$和$\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$系统进行部分波分析，假设存在中间共振态如$\rho(770)$、$f_2(1275)$和$\pi_2(1670)$。
• 采用双部分波集合方法：低波集合（35个波）与高波集合（55个波），后者包含额外的$1^{++}$、$2^{-+}$及$J \geq 3$部分波。
• 从数据和PWA拟合结果中计算$D^L_{MN}(\Omega)$函数的矩$H(LMN)$，以评估部分波集合的充分性与拟合质量。
• 应用运动学拟合（SQUAW）技术，利用束流动量、轨迹测量值和LGD量能器数据重建$3\pi$系统的四维动量。
• 将反冲质子质量约束为$m_p$，并把双光子质量约束为$m_\pi$，以提升事件重建精度并减少本底。
• 采用最大似然拟合方法，使用PDG给出的$\rho$和$f_2(1275)$质量与宽度值，并测试了多种$\pi\pi$ S波参数化形式。

实验结果

研究问题

• RQ1 早期E852实验中观察到的1.6~\text{GeV}/c^2的$1^{-+}$共振态信号是否在更高统计量样本中依然存在？
• RQ2 1.6 GeV处的$1^{-+}$信号是否为部分波集合不完整所致的伪影，还是真实共振态？
• RQ3 $\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$与$\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$末态是否表现出与$1^{-+}$共振态衰变为$\rho\pi$预期一致的同位旋行为？
• RQ4 独立幅值模型能否充分描述$3\pi$末态，还是需要更高部分波以解决模糊性？
• RQ5 $1^{-+}$波的相位与振幅与主导的$2^{++}$波相比如何？该结果是否支持共振态或干涉效应？

主要发现

• $1^{-+}$波在低波集合中于1.6~\text{GeV}/c^2处表现出瞬态增强，与早期E852结果一致，但当使用高波集合时，该特征消失。
• $\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$与$\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$模式表现出一致的同位旋行为：两种模式下$a_2^{-}$产额相等，且$\pi_2^{-}$在$\pi^{+}\pi^{-}\pi^{-}$中的产额是$\pi^{0}\pi^{0}\pi^{-}$中的两倍，符合预期。
• $2^{++}$与$2^{-+}$波可用两个相互干涉的Breit-Wigner形状良好描述，两通道中相位差一致。
• $1^{-+}$波的振幅与相位主要由$a_2(1320)$贡献主导，且随着部分波集合完整性的提高，负反射波消失。
• 矩比较的$\Delta^2$统计量显示，高波集合与数据的符合度更优，表明拟合质量更高且模型依赖性更低。
• 即使统计量提升至300万$\pi^{-}\pi^{0}\pi^{0}$和260万$\pi^{-}\pi^{-}\pi^{+}$事例，仍未发现$\pi_1(1600)$或任何$J^{PC}=1^{-+}$胶球态的证据。