[论文解读] Observation of sizeable $ω$ contribution to $χ_{c1}(3872) oπ^+π^-J/ψ$ decays

Aaij, Roel, Abdelmotteleb, Ahmed Sameh Wagih+1014 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本研究首次观测到χc1(3872) → π⁺π⁻J/ψ衰变中显著的ω贡献，测得分支比为(21.4 ± 2.3 ± 2.0)%，显著性超过7.1σ。利用LHCb实验在√s = 7、8和13 TeV下采集的9 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，通过二维无模型拟合方法分离了二倍子质量谱中的ρ⁰和ω共振态，揭示出同位旋破坏的χc1(3872) → ρ⁰J/ψ衰变振幅比纯粲偶素态预期值大六倍。

ABSTRACT

Resonant structures in the dipion mass spectrum from $χ_{c1}(3872) oπ^+π^- J/ψ$ decays, produced via $B^+ o K^+χ_{c1}(3872)$ decays, are analyzed using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment, corresponding to an integrated luminosity of 9 $fb^{-1}$. A sizeable contribution from the isospin conserving $χ_{c1}(3872) oωJ/ψ$ decay is established for the first time, $(21.4\pm2.3\pm2.0)\%$, with a significance of more than $7.1σ$. The amplitude of isospin violating decay, $χ_{c1}(3872) oρ^0 J/ψ$, relative to isospin conserving decay, $χ_{c1}(3872) oωJ/ψ$, is properly determined, and it is a factor of six larger than expected for a pure charmonium state.

研究动机与目标

• 量化χc1(3872) → ρ⁰J/ψ衰变振幅相对于同位旋守恒的χc1(3872) → ωJ/ψ衰变的同位旋破坏程度。
• 通过分离π⁺π⁻质量谱中ρ⁰和ω的贡献，解决χc1(3872)共振态结构长期存在的歧义。
• 通过测量同位旋破坏与同位旋守恒耦合强度的比值，检验χc1(3872)态的本质，挑战其纯粲偶素态的解释。
• 利用高统计量样本（9 fb⁻¹）和先进的振幅建模，提高ω和ρ⁰贡献的测量精度。
• 通过精确测量ω → π⁺π⁻J/ψ通道，为同位旋破坏衰变提供可靠的归一化基准。

提出的方法

• 利用√s = 7、8和13 TeV下采集的9 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，分析B⁺ → K⁺χc1(3872)衰变过程，其中χc1(3872) → π⁺π⁻J/ψ且J/ψ → μ⁺μ⁻。
• 在(mπ⁺π⁻J/ψ, mπ⁺π⁻)空间中对信号产额进行二维无模型拟合，信号形状由全局拟合固定，背景形状按mπ⁺π⁻区间变化。
• 对B⁺和J/ψ质量施加运动学约束，并利用顶点位移抑制组合背景。
• 使用Gounaris–Sakurai共振形式因子描述ρ⁰，使用简单Breit–Wigner形式描述ω，并包含干涉效应。
• 利用信号模拟校正mπ⁺π⁻依赖的探测器分辨率和重建效率。
• 将相空间扩展至4000 MeV，通过相干拟合分数计算耦合强度比值gχc1(3872)→ρ⁰J/ψ / gχc1(3872)→ωJ/ψ。

实验结果

研究问题

• RQ1 χc1(3872) → π⁺π⁻J/ψ衰变中ω贡献的大小是多少？
• RQ2 同位旋破坏的χc1(3872) → ρ⁰J/ψ衰变振幅与同位旋守恒的χc1(3872) → ωJ/ψ衰变相比如何？
• RQ3 观测到的ρ⁰J/ψ振幅是否与纯粲偶素态的预期一致？
• RQ4 ω共振态在二倍子质量谱中的显著性如何？它如何影响对χc1(3872)衰变动力学的解释？
• RQ5 能否分离ρ⁰–ω干涉效应，以提取可靠的分支比分数？

主要发现

• 首次以7.8σ的显著性观测到χc1(3872) → ωJ/ψ衰变，测得分支比为(21.4 ± 2.3 ± 2.0)%。
• 测得振幅比值gχc1(3872)→ρ⁰J/ψ / gχc1(3872)→ωJ/ψ = 0.29 ± 0.04，比已知的粲偶素态ψ(2S)的值0.045 ± 0.001大一个数量级。
• 以3.1σ的显著性观测到ρ′共振态，其相对产生振幅为ρ⁰的0.302 ± 0.099。
• 拟合质量优异（χ²/NDoF = 24.8/32，p值 = 0.81），证实了包含ρ⁰、ω和ρ′贡献的振幅模型具有鲁棒性。
• ρ⁰与ρ′的相干拟合分数总和为Rρ+ρ′ = 0.780 ± 0.023，其中ρ⁰的单独分数为Rρ = 0.833 ± 0.037，ρ′的单独分数为Rρ′ = 0.013 ± 0.008。
• ω贡献与默认模型一致，Rω = 0.221 ± 0.024，Rω/ρ = 0.028 ± 0.007，表明其在衰变振幅中具有不可忽略的作用。