[论文解读] Amplitude analysis of the $ {D}_s^{+} $→ π$^{−}$π$^{+}$π$^{+}$ decay

LHCb collaboration, Aaij, R.+1070 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究利用LHCb实验在√s = 8 TeV下采集的1.5 fb⁻¹ pp碰撞数据，对D_s⁺ → π⁻π⁺π⁺衰变进行了准模型无关的部分波振幅分析。分析结果显示，π⁺π⁻ S波振幅占主导地位，同时存在显著的自旋-2和自旋-1共振态贡献，包括首次观测到D_s⁺ → ω(782)π⁺衰变道，并通过与D⁺ → π⁻π⁺π⁺衰变的对比，为强子形成机制提供了新见解。

ABSTRACT

A Dalitz plot analysis of the $D_s^+ o π^- π^+ π^+$ decay is presented. The analysis is based on proton-proton collision data recorded by the LHCb experiment at a centre-of-mass energy of $8$ TeV and corresponding to an integrated luminosity of $1.5 fb^{-1}$. The resonant structure of the decay is obtained using a quasi-model-independent partial-wave analysis, in which the $π^+π^-$ S-wave amplitude is parameterised as a generic complex function determined by a fit to the data. The S-wave component is found to be dominant, followed by the contribution from spin-2 resonances and a small contribution from spin-1 resonances. The latter includes the first observation of the $D_s^+ o ω(782) π^+$ channel in the $D_s^+ o π^- π^+ π^+$ decay. The resonant structures of the $D_s^+ o π^- π^+ π^+$ and $D^+ o π^- π^+ π^+$ decays are compared, providing information about the mechanisms for the hadron formation in these decays.

研究动机与目标

• 通过准模型无关的部分波分析，确定D_s⁺ → π⁻π⁺π⁺衰变的共振结构。
• 以不依赖特定共振态模型的方式测量π⁺π⁻ S波振幅。
• 将D_s⁺ → π⁻π⁺π⁺的共振结构与D⁺ → π⁻π⁺π⁺的共振结构进行比较，以探究强子形成机制的差异。
• 研究介子-介子相互作用在非轻味粲介子衰变中的作用，特别是标量和张量共振态的动力学行为。

提出的方法

• 采用准模型无关的部分波分析方法，将π⁺π⁻ S波振幅参数化为通用复函数，并直接拟合到Dalitz图数据上。
• 分析使用了LHCb实验在√s = 8 TeV下采集的1.5 fb⁻¹ pp碰撞数据。
• 将共振贡献分离为S波、P波和D波，振幅模型中包含了自旋-2和自旋-1共振态。
• S波振幅的提取未假设特定的共振结构，从而实现了对π⁺π⁻相互作用动力学的无模型确定。
• 通过大量蒙特卡洛模拟验证了振幅模型，以考虑探测器效应和接受度的影响。
• 采用分箱最大似然法进行拟合，系统不确定性通过数据驱动方法评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 在D_s⁺ → π⁻π⁺π⁺衰变中，特别是π⁺π⁻ S波通道中，主导的共振结构是什么？
• RQ2 在D_s⁺ → π⁻π⁺π⁺衰变中，自旋-2和自旋-1共振态的贡献如何比较？
• RQ3 是否在D_s⁺ → π⁻π⁺π⁺衰变中观测到了ω(782)π⁺末态？这对π⁺π⁻ S波动力学有何含义？
• RQ4 D_s⁺ → π⁻π⁺π⁺的共振结构与D⁺ → π⁻π⁺π⁺相比如何？这揭示了粲衰变中强子形成的哪些机制？
• RQ5 f₀(980)共振态在π⁺π⁻ S波中的作用是什么？数据在多大程度上约束了该共振态？

主要发现

• π⁺π⁻ S波振幅是D_s⁺ → π⁻π⁺π⁺衰变中的主导分量，占总衰变振幅的84.97 ± 0.14%。
• 自旋-2共振态贡献了13.12 ± 0.02%的衰变振幅，其中在f₂(1270)和f₂'(1430)区域观察到显著结构。
• 自旋-1共振态贡献了8.55 ± 0.44%，包括首次观测到D_s⁺ → ω(782)π⁺衰变道。
• D_s⁺ → π⁻π⁺π⁺衰变的S波分数（84.97%）显著高于D⁺ → π⁻π⁺π⁺衰变（61.82%），表明其强子化动力学存在差异。
• 振幅模型成功描述了Dalitz图分布，S波的相位和幅度在π⁺π⁻阈值附近表现出强烈增强。
• 与D⁺ → π⁻π⁺π⁺的对比表明，尽管末态相同，但D_s⁺与D⁺衰变中π⁺π⁻ S波动力学存在差异，这是由于初始夸克级跃迁不同所致。