[论文解读] First Observation of Upsilon(1D) States

S. E. Csorna, Collaboration, CLEO|ArXiv.org|Jul 24, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本论文首次通过 $\Upsilon(3S)$ 共振态的四光子级联衰变链观测到 $\Omega(1D)$ 态，显著性达 9.7 个标准差。测得的总产物分支比为 $(3.3 \pm 0.6 \pm 0.5) \times 10^{-5}$，与理论预测高度一致，且在 $10162.2 \pm 1.6$ MeV/$c^2$ 处发现一个 $6.8\sigma$ 信号，被识别为 $\Upsilon(1D_2)$ 态。

ABSTRACT

The CLEO III experiment has recently accumulated a large statistics sample of 4.73 x 10^6 Upsilon(3S) decays. We present the first evidence for the production of the triplet Upsilon(1D) states in the four-photon cascade, Upslion(3S) -> gamma chi_b(2P), chi_b(2P) -> gamma Upsilon(1D), Upsilon(1D) -> gamma chi_b(1P), chi_b(1P) -> gamma Upsilon(1S), followed by the Upsilon(1S) annihilation to e+ e- or mu+ mu-. The signal has a significance of 9.7 standard deviations. The measured product branching ratio for these five decays, (3.3 +- 0.6 +- 0.5) x 10^{-5}, is consistent with the theoretical estimates. We see a 6.8 standard deviation signal for a state with a mass of 10162.2 +- 1.6 MeV/c^2, consistent with the Upsilon(1D_2) assignment. We also present improved measurements of the Upsilon(3S) -> pi0 pi0 Upsilon(1S) branching ratio and the associated di-pion mass distribution.

研究动机与目标

• 观测长期以来寻求的 $L=2$ 重夸克onium态，特别是尚未被探测到的 $\Upsilon(1D)$ 三重态。
• 检验势模型和基于 QCD 的计算对 $\Upsilon(1D)$ 态质量与分支比的预测。
• 测量 $\Upsilon(1D)$ 态在 $\Upsilon(3S)$ 的稀有四光子级联衰变序列中的总产生率。
• 利用反冲质量与运动学拟合技术确定观测到的 $\Upsilon(1D)$ 态的量子数与质量。

提出的方法

• 利用 CLEO III 实验获得的 $4.73 \times 10^6$ 个 $\Upsilon(3S)$ 衰变的高统计样本，搜索四光子级联衰变：$\Upsilon(3S) \to \gamma \chi_b(2P) \to \gamma \Upsilon(1D) \to \gamma \chi_b(1P) \to \gamma \Upsilon(1S) \to l^+l^-$。
• 选择事件中来自 $\Upsilon(1D) \to \gamma \chi_b(1P)$ 的两个高能光子，以及来自 $\chi_b(1P) \to \gamma \Upsilon(1S)$ 的两个低能光子，随后 $\Upsilon(1S)$ 衰变为 $e^+e^-$ 或 $\mu^+\mu^-$。
• 利用对两个最低能光子的反冲质量进行运动学拟合，以重建 $\Upsilon(1D)$ 态并抑制来自 $\pi^0$ 衰变的本底。
• 对最可能的质量分布采用双峰拟合方法，以搜索多个 $\Upsilon(1D)$ 态，其中峰位置基于理论预期固定。
• 使用 $\Upsilon(1D_2)$ 和 $\Upsilon(1D_3)$ 效率的加权平均值计算探测效率，系统误差通过两者差异估算。
• 对 $\chi^2_{1D}$ 分布进行拟合，以提取 $\Upsilon(1D)$ 信号事件数并计算总产物分支比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\Upsilon(3S)$ 的四光子级联衰变链中是否存在 $\Upsilon(1D)$ 态存在的证据？
• RQ2 衰变序列 $\Upsilon(3S) \to \gamma \chi_b(2P) \to \gamma \Upsilon(1D) \to \gamma \chi_b(1P) \to \gamma \Upsilon(1S) \to l^+l^-$ 的总产物分支比是多少？
• RQ3 观测到的 $\Upsilon(1D)$ 态的质量与量子数分配是什么？是否存在多个态的证据？
• RQ4 测量得到的分支比与质量与势模型的理论预测相比如何？

主要发现

• 在 $\Upsilon(3S)$ 的四光子级联衰变链中，观测到 $\Upsilon(1D)$ 态的显著性为 9.7 个标准差。
• 完整衰变序列的总产物分支比测量值为 $(3.3 \pm 0.6 \pm 0.5) \times 10^{-5}$，与理论预测值 $3.76 \times 10^{-5}$ 高度一致。
• 在质量为 $10162.2 \pm 1.6$ MeV/$c^2$ 处观测到一个 $6.8\sigma$ 信号，被识别为 $\Upsilon(1D_2)$ 态，且理论强烈排除 $J_{1D}=1$ 的假设。
• 在 $10174$ MeV/$c^2$ 处未发现第二个 $\Upsilon(1D)$ 态的强证据；双峰拟合未能显著优于单峰模型。
• 对 $\Upsilon(1D)$ 信号的探测效率估计为 $(13.2 \pm 1.0)\%$，系统误差来自 $\Upsilon(1D_2)$ 与 $\Upsilon(1D_3)$ 效率之间的差异。
• 测得的质量与势模型的质心预测一致，也符合 $J_{1D}=2$ 态的预期质量。