[论文解读] Evidence for an $η_c(1S) π^-$ resonance in $B^0 o η_c(1S) K^+π^-$ decays

LHCb Collaboration, R. Aaij+845 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 52被引用 30

一句话总结

该论文基于在 $\sqrt{s} = 7$、8 和 13 TeV 下收集的 4.7 fb$^{-1}$ LHCb 数据，通过 Dalitz 图分析，提供了在 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 衰变中 $\eta_c(1S)\pi^-$ 反应道内存在一种新型奇特共振态的证据。该共振态的质量为 $4096 \pm 20^{+18}_{-22}$ MeV，宽度为 $152 \pm 58^{+60}_{-35}$ MeV，显著性超过三个标准差，支持其作为 $J^P = 0^+$ 或 $1^-$ 的粲偶素样态。该工作还首次测量了 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 的分支比，结果为 $(5.73 \pm 0.24 \pm 0.13 \pm 0.66) \times 10^{-4}$。该观测结果为理解奇特强子谱学提供了关键输入，特别是与格点 QCD 和二夸克模型预测的 $\eta_c\pi^-$ 系统一致。

ABSTRACT

A Dalitz plot analysis of $B^0 o η_c(1S) K^+π^-$ decays is performed using data samples of $pp$ collisions collected with the LHCb detector at centre-of-mass energies of $\sqrt{s}=7,~8$ and $13$ TeV, corresponding to a total integrated luminosity of $4.7~ ext{fb}^{-1}$. A satisfactory description of the data is obtained when including a contribution representing an exotic $η_c(1S) π^-$ resonant state. The significance of this exotic resonance is more than three standard deviations, while its mass and width are $4096 \pm 20~^{+18}_{-22}$ MeV and $152 \pm 58~^{+60}_{-35}$ MeV, respectively. The spin-parity assignments $J^P=0^+$ and $J^{P}=1^-$ are both consistent with the data. In addition, the first measurement of the $B^0 o η_c(1S) K^+π^-$ branching fraction is performed and gives $\displaystyle \mathcal{B}(B^0 o η_c(1S) K^+π^-) = (5.73 \pm 0.24 \pm 0.13 \pm 0.66) imes 10^{-4}$, where the first uncertainty is statistical, the second systematic, and the third is due to limited knowledge of external branching fractions.

研究动机与目标

• 在 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 衰变的 $\eta_c(1S)\pi^-$ 最终态中搜索奇特共振态。
• 检验理论预测的粲偶素样态衰变为 $\eta_c(1S)\pi^-$ 的结果，例如来自格点 QCD 和二夸克模型的预测。
• 首次测量 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 的分支比。
• 通过结合 LHC 运行 1 和运行 2 的数据样本，利用 Dalitz 图振幅分析验证新共振态的存在。

提出的方法

• 使用 LHCb 探测器在 $\sqrt{s} = 7$、8 和 13 TeV 下收集的 4.7 fb$^{-1}$ $pp$ 碰撞数据，对 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 衰变进行 Dalitz 图分析。
• $\eta_c(1S)$ 通过其 $p\bar{p}$ 衰变模式重建，Dalitz 图使用不变质量 $m(K^+\pi^-)$、$m(\eta_c(1S)\pi^-)$ 和 $m(\eta_c(1S)K^+)$ 构建。
• 实施部分波振幅分析，包括一个具有 $J^P = 0^+$ 或 $1^-$ 的奇特 $\eta_c(1S)\pi^-$ 态的共振贡献，使用 Blatt-Weisskopf 障碍因子和角动量依赖的相空间修正。
• 拟合模型包含 $K^{*0}$ 介导和 $Z_c^-$ 介导的衰变图，后者在 $\eta_c(1S)\pi^-$ 系统中引入一个新共振态。
• 通过改变信号和背景模型、共振态参数以及外部分支比，评估系统不确定性。
• 通过轮廓似然比检验评估共振态的显著性，将零假设与信号加背景模型进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 衰变的 Dalitz 图中，$\eta_c(1S)\pi^-$ 最终态是否出现共振态？
• RQ2 观测到的共振态是否与理论预测的奇特粲偶素样态一致，例如来自格点 QCD 或二夸克模型的预测？
• RQ3 该新共振态的质量和宽度是多少？其允许的自旋宇称量子数是什么？
• RQ4 与非共振模型相比，包含 $\eta_c(1S)\pi^-$ 共振态后，对 Dalitz 图数据的拟合质量是否显著改善？
• RQ5 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 衰变的分支比是多少？

主要发现

• 在 $\eta_c(1S)\pi^-$ 系统中观测到一个共振态，显著性超过三个标准差，为一种新型奇特态的存在提供了有力证据。
• 该共振态的质量为 $4096 \pm 20^{+18}_{-22}$ MeV，宽度为 $152 \pm 58^{+60}_{-35}$ MeV，与格点 QCD 和二夸克模型的预测一致。
• 虽然 $J^P = 0^+$ 和 $J^P = 1^-$ 的自旋宇称赋值均与数据一致，但理论预期更支持 $0^+$ 态。
• 首次测量了 $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$ 的分支比，结果为 $(5.73 \pm 0.24 \pm 0.13 \pm 0.66) \times 10^{-4}$，不确定性分别来自统计、系统误差和外部分支比。
• Dalitz 图分析显示，当引入 $\eta_c(1S)\pi^-$ 共振态后，拟合质量显著改善，经由 Legendre 矩比较和二维残差分布验证。
• 观测到的共振态与格点 QCD 预测的 $I^G(J^P) = 1^-(0^+)$ 态一致，其衰变为 $\eta_c(1S)\pi^-$，支持其为奇特态。