[论文解读] High-statistics study of neutral-pion pair production in two-photon collisions

Belle Collaboration, I. Adachi|ArXiv.org|Oct 2, 2008

High-Energy Particle Collisions Research被引用 5

一句话总结

这项由Belle合作组完成的高统计量研究，利用223 fb$^{-1}$的$e^+e^-$碰撞数据，在质心系能量范围0.6–4.1 GeV内测量了中性轴向介子对的双光子产生截面（$ \gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$）。分析显示，在3.1–4.1 GeV区域内，截面比值$\sigma(\pi^0\pi^0)/\sigma(\pi^+\pi^-) = 0.32 \pm 0.03 \pm 0.05$，显著高于一阶QCD理论预测，表明高轨道波和共振态（如$f_4(2050)$）有重要贡献。

ABSTRACT

The differential cross section for the process $γγ o π^0 π^0$ has been measured in the kinematic range 0.6 GeV $< W < 4.1$ GeV, $|\cos θ^*|<0.8$ in energy and pion scattering angle, respectively, in the $γγ$ center-of-mass system. The results are based on a 223 fb$^{-1}$ data sample collected with the Belle detector at the KEKB $e^+ e^-$ collider. Using the data with $W > 1.4$ GeV, we obtain results on light-quark resonances and charmonia. We also compare the observed angular dependence and ratios of cross sections for neutral-pair and charged-pair production to QCD models. Differential cross sections are fitted in the energy region, $1.4 \GeV < W < 2.2 \GeV$, with a simple model where partial waves consist of resonances such as $f_2'(1525)$, $f_2(1950)$ and $f_4(2050)$ and smooth backgrounds. In the higher energy region, we observe production of the $χ_{c0}$ charmonium state and obtain the product of its two-photon decay width and the branching fraction to $π^0π^0$. The energy and angular dependences above 3.1 GeV are compatible with those measured in the $π^+π^-$ channel, and in addition we find that the cross section ratio, $σ(π^0π^0)/σ(π^+π^-)$, is $0.32 \pm 0.03 \pm 0.05$ on average in the 3.1-4.1 GeV region.

研究动机与目标

• 利用高亮度$e^+e^-$碰撞，在宽广能量范围内精确测量$\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$的微分截面。
• 通过部分波振幅分析，在$\pi^0\pi^0$末态中研究至2.2 GeV/$c^2$的共振态结构。
• 比较$\pi^0\pi^0$与$\pi^+\pi^-$通道的能量和角度依赖性，以探测同位旋对称性与QCD动力学。
• 提取$\chi_{c0}$粲底强子态的双光子宽度与至$\pi^0\pi^0$的分支比乘积。
• 评估高轨道波（特别是G波）在高能区域$\pi^0\pi^0$末态中的作用。

提出的方法

• 数据通过KEKB非对称能量$e^+e^-$对撞机上的Belle探测器获取，积分亮度为223 fb$^{-1}$。
• 测量了质心系能量$W$和$\pi^0\pi^0$静止参考系中的极角$\theta^*$的微分截面。
• 在1.4–2.2 GeV/$c^2$区域内进行了部分波振幅分析，包含$f_2(1270)$、$f_2'(1525)$、$f_2(1950)$和$f_4(2050)$等共振态，其中$f_2(1270)$的参数固定为PDG值。
• 基于在$W > 1.8$ GeV时观察到G$_2$波占主导，将$f_4(2050)$共振态包含在G$_2$波振幅中，而G$_0$波设为零。
• 采用拟合模型描述截面的$W^{-n}$能量依赖性，在3.1–4.1 GeV区域内$n \approx 4.5$。
• 估算并从$\pi^0\pi^0$与$\pi^+\pi^-$测量中减去底强子贡献，以分离出轻夸克强子末态贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在0.6–4.1 GeV质心系能量范围内，$\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$截面的能量和角度依赖性如何？
• RQ2 在高能区域，部分波振幅（特别是G波）对$\pi^0\pi^0$产生有何贡献？
• RQ3 在3.1–4.1 GeV区域内，$\sigma(\pi^0\pi^0)$与$\sigma(\pi^+\pi^-)$的比值是多少？其与QCD理论预测及同位旋不变性的比较结果如何？
• RQ4 哪些共振态对$\pi^0\pi^0$末态有显著贡献？它们在1.4–2.2 GeV/$c^2$区域内的性质如何？
• RQ5 $\chi_{c0}$粲底强子态的双光子宽度与至$\pi^0\pi^0$的分支比乘积是多少？

主要发现

• 在0.6–4.1 GeV质心系能量范围内，精确测量了$\gamma\gamma \to \pi^0\pi^0$的微分截面，具有高统计精度。
• 在3.1–4.1 GeV区域内，截面表现出$W^{-n}$能量依赖性，$n \approx 4.5$，与$\pi^+\pi^-$通道一致。
• 在3.1–4.1 GeV区域内，截面比值$\sigma(\pi^0\pi^0)/\sigma(\pi^+\pi^-)$测量值为$0.32 \pm 0.03 \pm 0.05$，显著高于一阶QCD理论预测。
• 当$W > 1.8$ GeV时，G$_2$波在G$_0$波之上占主导，表明$f_4(2050)$共振态在G$_2$部分波中贡献显著。
• 在拟合中加入1.5 GeV/$c^2$附近的$f_2(Z)$共振态（除$f_2'(1525)$、$f_2(1950)$和$f_4(2050)$外），可获得良好拟合质量；若省略$f_4(2050)$，则拟合不可接受。
• 成功提取了$\chi_{c0}$双光子宽度与至$\pi^0\pi^0$分支比的乘积，证实其通过$\gamma\gamma$融合过程产生。