[论文解读] The Saga of $h_c$ and $h_b$ Search in Heavy Quarkonia

T. Barnes, T. E. Browder+1 more|ArXiv.org|Aug 5, 2004

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文批判性地回顾了粲底夸克onium谱学中 $h_c$ 和 $h_b$ 态的实验与理论现状，重点关注 E760、E835、CLEO、BABAR 和 BELLE 的数据。文章认为，E760 观测到的 $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0$ 衰变模式可能因 $M_{\pi\pi}$ 截断存在缺陷而被抑制，并提出了利用 $\gamma\gamma$ 碰撞和 $B \to h_c K/K^*$ 衰变的改进搜索策略，通过 $\gamma\eta_c$ 和 $\gamma\eta_b$ 最终态探测 $h_c$ 与 $h_b$。

ABSTRACT

In this brief review, we examine carefully and critically the status of search for the $h_c$ [$ψ(1^1P_1)$] charmonium state and the $h_b$ [$Υ(1^1P_1)$] bottonium state, initiated by the E760 experiment. Recent experimental studies at CLEO/BABAR/BELLE are examined in the light of new theoretical and phenomenological understanding.

研究动机与目标

• 重新评估 $h_c$ 与 $h_b$ 态的实验证据，特别是 E760 对 $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0$ 的争议性观测。
• 解决理论预测与实验测量在 $\psi(1^1P_1) \to p\bar{p}$ 和 $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi\pi$ 衰变率之间的差异。
• 提出利用 $\gamma\gamma$ 碰撞和 $B$-介子衰变（$\gamma\eta_c$ 与 $\gamma\eta_b$ 最终态）探测 $h_c$ 与 $h_b$ 的改进策略。
• 利用 CLEO 与 BES 数据评估 Kuang-Yan 多极模型在 $\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi$ 衰变中的有效性。
• 识别粲底夸克onium中的 $1^1D_2$ 态作为未来通过 $1^1D_2 \to \gamma h_{c,b} \to \gamma\gamma\eta_{c,b}$ 级联衰变探测 $h_{c,b}$ 的关键目标。

提出的方法

• 使用更新的理论模型重新评估 E760 与 E835 对 $\psi(1^1P_1)$ 衰变的数据，特别是 $J/\psi + \pi^0$ 与 $J/\psi + \pi\pi$ 模式。
• 应用带质量修正的组分夸克模型估算 $\Gamma(\psi(1^1P_1) \to p\bar{p})$，结果与 $\eta_c \to p\bar{p}$ 推断出的 186 eV 一致。
• 使用 Kuang-Yan 多极模型预测 $\Gamma(\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi)$，并与 CLEO 的上限值 $2.7 \times 10^{-4}$ 进行比较。
• 提出在 $\sqrt{s} = 3.7$ GeV 下，通过 $\gamma\gamma \to \eta_c'$，随后 $\eta_c' \to \gamma h_c$ 与 $h_c \to \gamma\eta_c$ 的高亮度搜索通道。
• 分析 $B \to h_c K/K^*$ 衰变过程，其中 $h_c \to \gamma\eta_c$，作为在 BELLE/BABAR 高 $\gamma\gamma$ 亮度下探测 $h_c$ 的可行路径。
• 评估 $2^3S_1 - 1^3D_1$ 混合在调和 $c\bar{c}$ 与 $b\bar{b}$ 衰变率方面的作用，特别是对 $\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi$ 衰变的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何 E760 观测到的 $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0$ 衰变率与理论预期及其他测量结果不一致？
• RQ2 $\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi\pi$ 的真实分支比是多少？其与理论估算值约 6 keV 的比较如何？
• RQ3 为何在 E760 中未观测到 $\psi(1^1P_1)$ 的 $\gamma\eta_c$ 衰变模式，尽管该模式预期占主导？
• RQ4 在 CLEO 的上限值下，Kuang-Yan 多极模型预测 $\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi$ 衰变宽度的可靠性如何？
• RQ5 粲底夸克onium中的 $1^1D_2$ 态能否作为通过 $\gamma$ 丰富级联衰变高效产生 $h_c$ 与 $h_b$ 的源？

主要发现

• E760 观测到 $BR(\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0) > 5.5 \times 10^{-3}$（90% 置信度）的结果可能有误，原因在于 $M_{\pi\pi} > 80\%$ 的截断导致 73% 的信号事件被剔除。
• 使用组分夸克质量修正估算的理论值 $\Gamma(\psi(1^1P_1) \to p\bar{p})$ 为 1–10 eV，但与 $\eta_c \to p\bar{p}$ 推断出的 186 eV 不一致。
• 在 Kuang-Yan 模型中采用 $\alpha_M = \alpha_E$，估算出 $\Gamma(\psi(1^1P_1) \to J/\psi + \pi^0)$ 为 0.3 keV，与实验约束一致。
• Kuang-Yan 模型预测的 $\Upsilon(1D) \to \Upsilon(1S)\pi\pi$ 衰变率（约 24 keV）与 CLEO 的上限值 $2.7 \times 10^{-4}$ 不一致，表明该模型存在局限性。
• $\Upsilon(1D)$ 态在 10,161 MeV 处很可能为 $\Upsilon(1^3D_2)$，与格点 QCD 及势模型结果高度一致，预测不确定性约为 0.02 GeV。
• 探测 $h_c$ 的一条有希望的路径是通过 $\gamma\gamma \to \eta_c'$，$\eta_c' \to \gamma h_c$（部分宽度约 49 keV），以及 $h_c \to \gamma\eta_c$（部分宽度约 494 keV），该过程需在 $\sqrt{s} = 3.7$ GeV 下实现高 $\gamma\gamma$ 亮度。