[论文解读] Observation of $e^+ e^- o ηY(2175)$ at center-of-mass energies above 3.7$\sim$GeV

F. De Mori, М. Н. Ачасов+427 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2017

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 5

一句话总结

本研究利用BESIII实验数据，在质心系能量高于3.7 GeV的条件下，首次观测到 $e^+e^- \to \eta Y(2175)$ 过程。测量得到的 $Y(2175)$ 共振态质量为 $2135 \pm 8 \pm 9$ MeV/$c^2$，宽度为 $104 \pm 24 \pm 12$ MeV，与先前测量结果一致；同时未观测到显著的 $\psi(3686) \to \eta Y(2175)$ 衰变，表明其衰变受到强烈抑制，与12%规则不符。

ABSTRACT

The state $Y(2175)$ is observed in the process $e^+ e^- o ηY(2175)$ at center-of-mass energies between 3.7 and 4.6$\sim$GeV with a statistical significance larger than $10σ$ using data collected with the BESIII detector operating at the BEPCII storage ring. This is the first observation of the $Y(2175)$ in this process. The mass and width of the $Y(2175)$ are determined to be ($2135\pm 8\pm 9$)~MeV/$c^2$ and ($104\pm 24\pm 12$)~MeV, respectively, and the production cross section of $e^+ e^- o ηY(2175) o ηϕf_{0}(980) o ηϕπ^+ π^-$ is at a several hundred femtobarn level. No significant signal for the process $e^+ e^- o η' Y(2175)$ is observed and the upper limit on $σ(e^+ e^- o η' Y(2175))/σ(e^+ e^- o ηY(2175))$ is estimated to be 0.43 at the 90\% confidence level. We also search for $ψ(3686) o ηY(2175)$. No significant signal is observed, indicating a strong suppression relative to the corresponding $J/ψ$ decay, in violation of the "12\% rule."

研究动机与目标

• 在质心系能量高于3.7 GeV的条件下，搜索并观测 $e^+e^- \to \eta Y(2175)$ 过程。
• 测量该末态中 $Y(2175)$ 共振态的质量和宽度。
• 研究 $Y(2175) \to \phi \pi^+ \pi^-$ 的衰变动力学，并检验是否存在如 $Z_s \to \phi \pi$ 等新强子态的信号。
• 考察截面随能量的变化行为，并与理论预期进行比较。
• 对 $\psi(3686) \to \eta Y(2175}$ 衰变设定上限，并评估其相对于12%规则的抑制程度。

提出的方法

• 分析BESIII探测器在 $\sqrt{s} = 3.773$、4.008、4.226、4.258、4.358、4.416 和 4.600 GeV 能量点采集的数据，研究 $e^+e^- \to \eta Y(2175)$ 过程。
• 通过 $\eta Y(2175)$ 的不变质量重建提取 $Y(2175)$ 信号，利用边带区域进行背景扣除。
• 通过改变背景形状并考虑独立的系统误差源，评估系统误差，并采用平方和开方的方式合并。
• 分析 $Y(2175) \to \phi \pi^+ \pi^-$ 的Dalitz图，研究 $\phi f_0(980)$ 成分并搜索 $Z_s$ 状态的迹象。
• 将截面的能量依赖性拟合为 $\sigma \propto 1/s^n$，其中 $n = 2.65 \pm 0.86$，以探究 $Y(2175)$ 的性质。
• 使用轮廓似然法在90%置信水平下，对 $\psi(3686) \to \eta Y(2175)$ 和 $\eta' Y(2175)$ 末态设定上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在质心系能量高于3.7 GeV的条件下，$e^+e^- \to \eta Y(2175)$ 过程是否可观测？
• RQ2 在 $\eta Y(2175)$ 末态中，$Y(2175)$ 共振态的质量和宽度是多少？
• RQ3 $Y(2175) \to \phi \pi^+ \pi^-$ 衰变是否以 $\phi f_0(980)$ 成分为主导，或显示出带电新强子态 $Z_s$ 的证据？
• RQ4 截面的能量依赖性与矢量-伪标量末态的理论预期相比如何？
• RQ5 $\psi(3686) \to \eta Y(2175}$ 衰变是否相对于12%规则受到抑制？这对其结构特性有何启示？

主要发现

• $Y(2175)$ 共振态被观测到，其质量为 $2135 \pm 8 \pm 9$ MeV/$c^2$，宽度为 $104 \pm 24 \pm 12$ MeV，与先前测量结果一致。
• $e^+e^- \to \eta Y(2175)$ 的截面遵循 $1/s^n$ 的能量依赖关系，其中 $n = 2.65 \pm 0.86$，表明其行为与普通矢量夸克onium衰变不同。
• 未观测到 $\psi(3686) \to \eta Y(2175)$ 的显著信号，其分支分数乘积在90%置信水平下被限制为 $< 2.2 \times 10^{-6}$。
• 分支分数比值 $\mathcal{B}^*(\psi(3686) \to \eta Y(2175)) / \mathcal{B}^*(J/\psi \to \eta Y(2175))$ 测量结果为 $(0.23 \pm 0.29 \pm 0.13)$%，在90%置信水平下小于0.65%，表明存在强烈抑制。
• 未观测到 $e^+e^- \to \eta' Y(2175)$ 的显著信号，且截面比值 $\sigma(\eta' Y(2175)) / \sigma(\eta Y(2175))$ 在90%置信水平下小于0.43。
• Dalitz图分析表明，$\phi f_0(980)$ 是 $Y(2175) \to \phi \pi^+ \pi^-$ 中的主导成分，未发现 $Z_s \to \phi \pi$ 状态的证据。