[论文解读] Measurement of the $e^+e^- oπ^+π^-π^0$ cross section from 0.7 GeV to 3.0 GeV via initial-state radiation

F. De Mori, М. Н. Ачасов+487 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本研究利用BESIII实验的初态辐射（ISR）技术，在0.7至3.0 GeV能量范围内测量了$e^+e^- \to \pi^+\pi^-\pi^0$的截面，使μ子反常磁矩的$a_\mu^{3\pi}$贡献的不确定度降低了40%。结果为$(49.77 \pm 0.53 \pm 0.17) \times 10^{-10}$，是该能量范围内首个单实验测定结果，与以往测量在2$\sigma$范围内一致，并在1.6 GeV/$c^2$处清晰观测到$\omega(1650)$共振态。三倍π介子质量谱可良好地由$\omega$、$\phi$、$\omega(1420)$和$\omega(1650)$共振态的相干叠加描述，产物分支比与PDG及BaBar结果一致。

ABSTRACT

The cross section of the process $e^+e^- oπ^+π^-π^0$ is measured with a precision of 1.6% to 25% in the energy range between $0.7$ and 3.0 GeV using the Initial State Radiation method. A data set with an integrated luminosity of $2.93$fb$^{-1}$ taken at the center-of-mass energy of $\sqrt{s}=3.773$GeV with the BESIII detector at the BEPCII collider is used. The product branching fractions for $ω$, $ϕ$, $ω(1420)$, and $ω(1650)$ are measured to be $\mathcal{B}(ω o e^+e^-) imes \mathcal{B}(ω o π^+π^-π^0)=(6.94\pm0.08\pm0.16) imes 10^{-5}$, $\mathcal{B}(ϕ o e^+e^-) imes \mathcal{B}(ϕ oπ^+π^-π^0) = (4.20\pm0.08\pm0.19) imes 10^{-5}$, $\mathcal{B}(ω(1420) o e^+e^-) imes \mathcal{B}(ω(1420) o π^+π^-π^0) = (0.84\pm0.09\pm0.09) imes 10^{-6}$, and $\mathcal{B}(ω(1650) o e^+e^) imes \mathcal{B}(ω(1650) o π^+π^-π^0) = (1.14\pm0.15\pm0.15) imes10^{-6}$, respectively. The branching fraction $\mathcal{B}(J/ψ o π^+π^-π^0)$ is measured to be $(2.188 \pm 0.024 \pm 0.024 \pm0.040 (Γ_{ee}^{J/ψ}))\%$, where $Γ_{ee}^{J/ψ}$ is the dileptonic width of $J/ψ$. The first errors are of statistical, the second and third ones of systematic nature.

研究动机与目标

• 利用BESIII实验的初态辐射（ISR）技术，在0.7–3.0 GeV能量范围内高精度测量$e^+e^- \to \pi^+\pi^-\pi^0$截面。
• 通过改进精度，确定$\pi^+\pi^-\pi^0$末态对μ子反常磁矩$a_\mu^{3\pi}$的贡献。
• 识别并研究$\pi^+\pi^-\pi^0$质量谱中的共振结构，特别是$\omega(1650)$共振态。
• 从3.0 GeV/$c^2$以上的非标记数据中提取$J/\psi \to \pi^+\pi^-\pi^0$的产物分支比，提升精度。

提出的方法

• 利用初态辐射（ISR）技术测量截面，即在$\sqrt{s} = 3.773$ GeV下发生$e^+e^-$碰撞，产生一个硬光子，从而有效重建从0.7 GeV起的$\sqrt{s}$-依赖截面。
• ISR方法允许仅用一个数据样本访问广泛的质心系能量，提高统计效率并降低系统误差。
• 通过带电π介子和光子转换产生的中性π介子重建$\pi^+\pi^-\pi^0$末态，并使用运动学拟合提升分辨率。
• 通过公式$\sigma^{\rm FSR} = \sigma^{\rm Born}\left(1 + F(s)\frac{\alpha}{\pi}\right)$应用末态辐射（FSR）修正，其中$F(s)$来自文献c_FSRamu。
• 利用公式(1)的积分，结合FSR修正后的$\sigma^{\rm FSR}$，计算$a_\mu^{3\pi}$贡献。
• 将$\pi^+\pi^-\pi^0$质量谱中的共振结构建模为$\omega$、$\phi$、$\omega(1420)$和$\omega(1650)$的相干叠加，从数据中提取拟合参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过ISR技术测量的0.7至3.0 GeV范围内$e^+e^- \to \pi^+\pi^-\pi^0$截面的精确值是多少？
• RQ2 在该能量范围内，$\pi^+\pi^-\pi^0$末态对μ子反常磁矩$a_\mu^{3\pi}$的贡献是多少？
• RQ3 在$\pi^+\pi^-\pi^0$末态中是否观测到$\omega(1650)$共振态的证据？其信号与以往测量相比如何？
• RQ4 在1.8 GeV/$c^2$以下的$\pi^+\pi^-\pi^0$质量谱是否可由$\omega$、$\phi$、$\omega(1420)$和$\omega(1650)$共振态的相干叠加良好描述？
• RQ5 $J/\psi \to \pi^+\pi^-\pi^0$的产物分支比是多少？与以往结果相比如何？

主要发现

• $a_\mu^{3\pi}$在0.7至3.0 GeV范围内的贡献被测得为$(49.77 \pm 0.53 \pm 0.17) \times 10^{-10}$，相比以往平均值，不确定度降低了40%。
• 在约1.6 GeV/$c^2$处清晰观测到$\omega(1650)$共振态信号，与BaBar测量一致，但显著高于DM2结果。
• 在1.8 GeV/$c^2$以下的$\pi^+\pi^-\pi^0$质量谱可由$\omega$、$\phi$、$\omega(1420)$和$\omega(1650)$共振态的相干叠加良好描述。
• $J/\psi \to \pi^+\pi^-\pi^0$的产物分支比以更高精度提取，与BaBar和BESIII以往测量结果良好一致。
• 提取的产物分支比与PDG 2014年值及BaBar结果一致，验证了共振态模型与分析方法的可靠性。
• 该测量是该能量范围内首个单实验测定的$a_\mu^{3\pi}$结果，为$\mu$子反常磁矩的胶子真空极化贡献提供了关键输入。