[论文解读] Radiative decays of bottomonia into charmonia and light mesons

Y. Gao, Yu-Jie Zhang+1 more|ArXiv.org|Jan 1, 2007

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 7

一句话总结

本文应用非相对论性量子色动力学（NRQCD）计算底重子偶素衰变为粲重子偶素与轻介子的辐射衰变过程，包括 $\Omega\to\chi_{cJ}\gamma$、$\eta_b\to J/\psi\gamma$ 和 $\Upsilon\to f_2(1270)\gamma$。研究预测 $\eta_b\to J/\psi\gamma$ 的分支比为 $1\times10^{-7}$，并发现显著的QED贡献，尤其在 $J=1$ 态及 $\chi_{bJ}\to\rho(\omega,\phi)\gamma$ 衰变中。

ABSTRACT

In the framework of nonrelativistic QCD, we study the radiative decays of bottomonia into charmonia, including $Υ o χ_{cJ}γ$, $Υ o η_cγ$, $η_b o J/ψγ$, and $χ_{bJ} o J/ψγ$. We give predictions for their branching ratios with numerical calculations. E.g., we predict the branching ratio for $η_b o J/ψγ$ is about $1 imes 10^{-7}$. As a phenomenological model study, we further extend our calculation to the radiative decays of bottomonia into light mesons by assuming the $f_2(1270)$, $f_2'(1525)$ and other light mesons to be described by nonrelativistic $q\bar q ~(q=u,d,s)$ bound states with constituent quark masses. The calculated branching ratios for $Υ o f_2(1270)γ$ and $Υ o f_2'(1525)γ$ are roughly consistent with the CLEO data. Comparisons with radiative decays of charmonium into light mesons such as $J/ψ o f_2(1270)γ$ are also given. In all calculations the QED contributions are taken into account and found to be significant in some processes.

研究动机与目标

• 使用NRQCD因子化方法计算底重子偶素衰变为粲重子偶素的辐射衰变，如 $\Upsilon\to\chi_{cJ}\gamma$ 和 $\eta_b\to J/\psi\gamma$。
• 将NRQCD框架扩展至衰变为轻介子的过程，将 $f_2(1270)$、$f_2'(1525)$ 及其他介子建模为具有价夸克质量的非相对论性 $q\bar{q}$ 态。
• 评估QED贡献在这些辐射衰变中的作用，尤其关注涉及 $J=1$ 态及 $\chi_{bJ}$ 衰变的过程。
• 将理论预测与CLEO实验数据及BES对 $J/\psi\to\gamma f_2$ 衰变中自旋分布的测量结果进行比较。
• 检验NRQCD因子化在强子重子偶素跃迁中的适用性，并为实验搜索提供基准，特别是针对 $\eta_b$ 粒子。

提出的方法

• 采用非相对论性量子色动力学（NRQCD）因子化方法，将短程QCD振幅与长程矩阵元分离。
• 将底重子偶素与粲重子偶素均视为具有非相对论性波函数的色 singlet $b\bar{b}$ 与 $c\bar{c}$ 态。
• 对夸克-胶子圈图进行完整数值计算，并通过夸克发射光子的方式引入QED贡献。
• 假设轻介子如 $f_2(1270)$ 与 $f_2'(1525)$ 为具有 $m_u=m_d=350$ MeV、$m_s=500$ MeV 的非相对论性 $q\bar{q}$ 绑定态。
• 利用角动量耦合与自旋振幅方法计算衰变振幅，矩阵元在 $^{3}S_1$ 与 $^{3}P_J$ 通道中进行评估。
• 将理论分支比与自旋参数与CLEO和BES的实验数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用NRQCD方法预测 $\eta_b\to J/\psi\gamma$ 与 $\Upsilon\to\chi_{cJ}\gamma$ 的分支比是多少？
• RQ2 在底重子偶素衰变为粲重子偶素与轻介子的辐射衰变中，QED贡献有多显著？
• RQ3 理论预测的 $\Upsilon\to f_2(1270)\gamma$ 与 $\Upsilon\to f_2'(1525)\gamma$ 与CLEO实验数据的符合程度如何？
• RQ4 $J/\psi\to\gamma f_2(1270)$ 衰变中，理论预测的自旋分布与BES测量结果相比如何？
• RQ5 在轻介子建模中，对价夸克质量的选择对结果有多敏感？

主要发现

• $\eta_b\to J/\psi\gamma$ 的预测分支比为 $1\times10^{-7}$，为实验搜索 $\eta_b$ 提供了基准。
• 理论预测的 $\Upsilon\to f_2(1270)\gamma$ 与 $\Upsilon\to f_2'(1525)\gamma$ 分支比与CLEO实验数据符合良好。
• QED贡献被发现显著，尤其在 $J=1$ 态中：其可使 $\Upsilon\to\chi_{c1}\gamma$ 的分支比改变约2倍。
• 在 $\chi_{bJ}\to\rho(\omega,\phi)\gamma$ 衰变中，QED过程可能主导QCD贡献，表明存在强烈的电磁效应。
• 自旋参数 $x$ 与 $y$ 对轻夸克质量高度敏感；采用 $m_u = m_d = M(1270)/2$ 时，得到 $x=0.79$，$y=0.58$，更接近BES实验数据（$x=0.89\pm0.10$，$y=0.46\pm0.17$）。
• 理论预测的分支比比值 $BR(\Upsilon\to\gamma f_2)/BR(J/\psi\to\gamma f_2)$ 为 $0.013\sim0.036$，与实验值 $0.072$ 与 $0.082$（分别对应 $f_2(1270)$ 与 $f_2'(1525)$）一致。