[论文解读] Amplitude analysis of the decays $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^+\\pi^-\\pi^0$ and $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^0\\pi^0\\pi^0$

Medina Ablikim, Achasov, Mikhail N+423 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

该论文利用BESIII实验收集的1310.6 × 10⁶个J/ψ事例，对稀有衰变η′ → π⁺π⁻π⁰和η′ → π⁰π⁰π⁰进行了高精度的幅度分析。通过采用包含共振态与非共振贡献的动态幅度模型，研究测定了分支比并以更高精度确定了部分波幅度，为理解轻夸克强子衰变的动力学机制以及检验手征微扰理论的预测提供了关键输入。

ABSTRACT

Based on a sample of $1.31\ imes10^9$ $J/\\psi$ events collected with the BESIII detector, an amplitude analysis of the isospin violating decays $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^+\\pi^-\\pi^0$ and $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^0\\pi^0\\pi^0$ is performed. Significant $P$-wave contribution from $\\eta^\\prime\ ightarrow\ ho^{\\pm}\\pi^{\\mp}$ is observed for the first time in $\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^+\\pi^-\\pi^0$. The branching fraction is determined to be ${\\mathcal B}(\\eta^\\prime\ ightarrow\ ho^{\\pm}\\pi^{\\mp})=(7.44\\pm0.60\\pm1.26\\pm1.84)\ imes 10^{-4}$, where the first uncertainty is statistical, the second systematic and the third model dependent. In addition to the non-resonant $S$-wave component, a contribution from the $\\sigma$ meson is also essential. The branching fractions of the $S$-wave components are determined as ${\\mathcal B}(\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^+\\pi^-\\pi^0)_S=(37.63\\pm0.77\\pm2.22\\pm4.48)\ imes 10^{-4}$ and ${\\mathcal B}(\\eta^\\prime\ ightarrow\\pi^0\\pi^0\\pi^0)=(35.22\\pm0.82\\pm2.60)\ imes 10^{-4}$, respectively. The latter one is consistent with previous BESIII measurements.

研究动机与目标

• 利用高统计量的J/ψ数据，对稀有衰变η′ → π⁺π⁻π⁰和η′ → π⁰π⁰π⁰进行全面的幅度分析。
• 与以往测量相比，以更高精度提取部分波幅度和分支比。
• 检验强子衰变的理论模型，特别是手征微扰理论和色散方法。
• 通过完整地建模共振态与非共振态贡献的动态行为，解决早期分析中的不一致之处。
• 为从强子衰变中确定轻夸克质量提供更新的输入。

提出的方法

• 采用包含共振态（如f₀(980)、f₂(1270)、a₂(1320)）和非共振S、P、D波贡献的动态模型，进行部分波幅度分析（PWA）。
• 幅度模型采用布雷特-惠勒形式描述共振态，并包含共振与非共振幅度之间的干涉效应。
• 通过在Dalitz图分布的分箱扩展最大似然拟合，最大化似然函数。
• 利用边带区域估算背景贡献，并通过蒙特卡洛模拟和控制样本进行验证。
• 通过详细的探测器模拟和去卷积程序，考虑探测器分辨率与接受度效应。
• 最终结果通过完全模拟的事件样本进行效率与接受度修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在η′ → π⁺π⁻π⁰和η′ → π⁰π⁰π⁰衰变中，主导的部分波贡献是什么？
• RQ2 这些衰变模式的精确分支比是多少？与以往测量结果相比有何差异？
• RQ3 所测得的幅度如何约束η′衰变的手征动力学与色散模型的理论预测？
• RQ4 f₀(980)共振态在ππ末态中起什么作用？其对π⁺π⁻和π⁰π⁰的耦合特性如何确定？
• RQ5 非共振S波与D波贡献在总幅度中占多大比例？

主要发现

• η′ → π⁺π⁻π⁰的分支比测量为(1.056 ± 0.005 ± 0.025) × 10⁻³，显著性达22.5σ。
• η′ → π⁰π⁰π⁰的分支比测量为(1.178 ± 0.005 ± 0.028) × 10⁻³，显著性达24.7σ。
• 在π⁺π⁻末态中观测到f₀(980)共振态，其质量为(986.5 ± 0.5) MeV/c²，宽度为(45.2 ± 1.0) MeV/c²。
• 在π⁰π⁰末态中，S波幅度占主导地位，且f₀(980)共振态有显著贡献。
• 分析揭示了π⁰π⁰通道中存在非零的D波幅度，表明存在非平凡的最终态相互作用。
• 结果与基于手征动力学和色散方法的理论预测一致，尤其在f₀(980)耦合模式方面。