Cross section measurement of e+e−→π0π0ψ(3686) from s= 4.008 GeV to 4.951 GeV
利用BESIII探测器收集的22.1 fb⁻¹数据,本研究测量了质心能量在4.008至4.951 GeV范围内e+e−→π0π0ψ(3686)过程的截面,证实了同位旋对称性的预期,并为Y(4390)和Y(4660)共振态提供了显著证据,其参数与此前在带电介子通道中的测量结果一致。
原作者: BESIII Collaboration, M. Ablikim, M. N. Achasov, P. Adlarson, X. C. Ai, R. Aliberti, A. Amoroso, Q. An, Y. Bai, O. Bakina, Y. Ban, H. -R. Bao, V. Batozskaya, K. Begzsuren, N. Berger, M. Berlowski, M. B. Bertani, D. Bettoni, F. Bianchi, E. Bianco, A. Bortone, I. Boyko, R. A. Briere, A. Brueggemann, H. Cai, M. H. Cai, X. Cai, A. Calcaterra, G. F. Cao, N. Cao, S. A. Cetin, X. Y. Chai, J. F. Chang, T. T. Chang, G. R. Che, Y. Z. Che, C. H. Chen, Chao Chen, G. Chen, H. S. Chen, H. Y. Chen, M. L. Chen, S. J. Chen, S. M. Chen, T. Chen, X. R. Chen, X. T. Chen, X. Y. Chen, Y. B. Chen, Y. Q. Chen, Z. K. Chen, J. C. Cheng, L. N. Cheng, S. K. Choi, X. Chu, G. Cibinetto, F. Cossio, J. Cottee-Meldrum, H. L. Dai, J. P. Dai, X. C. Dai, A. Dbeyssi, R. E. de Boer, D. Dedovich, C. Q. Deng, Z. Y. Deng, A. Denig, I. Denisenko, M. Destefanis, F. De Mori, X. X. Ding, Y. Ding, Y. X. Ding, J. Dong, L. Y. Dong, M. Y. Dong, X. Dong, M. C. Du, S. X. Du, S. X. Du, X. L. Du, Y. Y. Duan, Z. H. Duan, P. Egorov, G. F. Fan, J. J. Fan, Y. H. Fan, J. Fang, J. Fang, S. S. Fang, W. X. Fang, Y. Q. Fang, L. Fava, F. Feldbauer, G. Felici, C. Q. Feng, J. H. Feng, L. Feng, Q. X. Feng, Y. T. Feng, M. Fritsch, C. D. Fu, J. L. Fu, Y. W. Fu, H. Gao, Y. Gao, Y. N. Gao, Y. N. Gao, Y. Y. Gao, Z. Gao, S. Garbolino, I. Garzia, L. Ge, P. T. Ge, Z. W. Ge, C. Geng, E. M. Gersabeck, A. Gilman, K. Goetzen, J. D. Gong, L. Gong, W. X. Gong, W. Gradl, S. Gramigna, M. Greco, M. D. Gu, M. H. Gu, C. Y. Guan, A. Q. Guo, J. N. Guo, L. B. Guo, M. J. Guo, R. P. Guo, X. Guo, Y. P. Guo, A. Guskov, J. Gutierrez, T. T. Han, F. Hanisch, K. D. Hao, X. Q. Hao, F. A. Harris, C. Z. He, K. L. He, F. H. Heinsius, C. H. Heinz, Y. K. Heng, C. Herold, P. C. Hong, G. Y. Hou, X. T. Hou, Y. R. Hou, Z. L. Hou, H. M. Hu, J. F. Hu, Q. P. Hu, S. L. Hu, T. Hu, Y. Hu, Z. M. Hu, G. S. Huang, K. X. Huang, L. Q. Huang, P. Huang, X. T. Huang, Y. P. Huang, Y. S. Huang, T. Hussain, N. Hüsken, N. in der Wiesche, J. Jackson, Q. Ji, Q. P. Ji, W. Ji, X. B. Ji, X. L. Ji, X. Q. Jia, Z. K. Jia, D. Jiang, H. B. Jiang, P. C. Jiang, S. J. Jiang, X. S. Jiang, J. B. Jiao, J. K. Jiao, Z. Jiao, L. C. L. Jin, S. Jin, Y. Jin, M. Q. Jing, X. M. Jing, T. Johansson, S. Kabana, X. L. Kang, X. S. Kang, B. C. Ke, V. Khachatryan, A. Khoukaz, O. B. Kolcu, B. Kopf, L. Kröger, M. Kuessner, X. Kui, N. Kumar, A. Kupsc, W. Kühn, Q. Lan, W. N. Lan, T. T. Lei, M. Lellmann, T. Lenz, C. Li, C. Li, C. H. Li, C. K. Li, D. M. Li, F. Li, G. Li, H. B. Li, H. J. Li, H. L. Li, H. N. Li, Hui Li, J. R. Li, J. S. Li, J. W. Li, K. Li, K. L. Li, L. J. Li, Lei Li, M. H. Li, M. R. Li, P. L. Li, P. R. Li, Q. M. Li, Q. X. Li, R. Li, S. X. Li, Shanshan Li, T. Li, T. Y. Li, W. D. Li, W. G. Li, X. Li, X. H. Li, X. K. Li, X. L. Li, X. Y. Li, X. Z. Li, Y. Li, Y. G. Li, Y. G. Li, Y. P. Li, Z. H. Li, Z. J. Li, Z. X. Li, Z. Y. Li, C. Liang, H. Liang, Y. F. Liang, Y. T. Liang, G. R. Liao, L. B. Liao, M. H. Liao, Y. P. Liao, J. Libby, A. Limphirat, D. X. Lin, L. Q. Lin, T. Lin, B. J. Liu, B. X. Liu, C. X. Liu, F. Liu, F. H. Liu, Feng Liu, G. M. Liu, H. Liu, H. B. Liu, H. M. Liu, Huihui Liu, J. B. Liu, J. J. Liu, K. Liu, K. Liu, K. Y. Liu, Ke Liu, L. Liu, L. C. Liu, Lu Liu, M. H. Liu, P. L. Liu, Q. Liu, S. B. Liu, W. M. Liu, W. T. Liu, X. Liu, X. K. Liu, X. L. Liu, X. Y. Liu, Y. Liu, Y. Liu, Y. B. Liu, Z. A. Liu, Z. D. Liu, Z. Q. Liu, Z. Y. Liu, X. C. Lou, H. J. Lu, J. G. Lu, X. L. Lu, Y. Lu, Y. H. Lu, Y. P. Lu, Z. H. Lu, C. L. Luo, J. R. Luo, J. S. Luo, M. X. Luo, T. Luo, X. L. Luo, Z. Y. Lv, X. R. Lyu, Y. F. Lyu, Y. H. Lyu, F. C. Ma, H. L. Ma, Heng Ma, J. L. Ma, L. L. Ma, L. R. Ma, Q. M. Ma, R. Q. Ma, R. Y. Ma, T. Ma, X. T. Ma, X. Y. Ma, Y. M. Ma, F. E. Maas, I. MacKay, M. Maggiora, S. Malde, Q. A. Malik, H. X. Mao, Y. J. Mao, Z. P. Mao, S. Marcello, A. Marshall, F. M. Melendi, Y. H. Meng, Z. X. Meng, G. Mezzadri, H. Miao, T. J. Min, R. E. Mitchell, X. H. Mo, B. Moses, N. Yu. Muchnoi, J. Muskalla, Y. Nefedov, F. Nerling, H. Neuwirth, Z. Ning, S. Nisar, Q. L. Niu, W. D. Niu, Y. Niu, C. Normand, S. L. Olsen, Q. Ouyang, S. Pacetti, X. Pan, Y. Pan, A. Pathak, Y. P. Pei, M. Pelizaeus, H. P. Peng, X. J. Peng, Y. Y. Peng, K. Peters, K. Petridis, J. L. Ping, R. G. Ping, S. Plura, V. Prasad, F. Z. Qi, H. R. Qi, M. Qi, S. Qian, W. B. Qian, C. F. Qiao, J. H. Qiao, J. J. Qin, J. L. Qin, L. Q. Qin, L. Y. Qin, P. B. Qin, X. P. Qin, X. S. Qin, Z. H. Qin, J. F. Qiu, Z. H. Qu, J. Rademacker, C. F. Redmer, A. Rivetti, M. Rolo, G. Rong, S. S. Rong, F. Rosini, Ch. Rosner, M. Q. Ruan, N. Salone, A. Sarantsev, Y. Schelhaas, K. Schoenning, M. Scodeggio, W. Shan, X. Y. Shan, Z. J. Shang, J. F. Shangguan, L. G. Shao, M. Shao, C. P. Shen, H. F. Shen, W. H. Shen, X. Y. Shen, B. A. Shi, H. Shi, J. L. Shi, J. Y. Shi, S. Y. Shi, X. Shi, H. L. Song, J. J. Song, M. H. Song, T. Z. Song, W. M. Song, Y. X. Song, Zirong Song, S. Sosio, S. Spataro, S Stansilaus, F. Stieler, S. S Su, G. B. Sun, G. X. Sun, H. Sun, H. K. Sun, J. F. Sun, K. Sun, L. Sun, R. Sun, S. S. Sun, T. Sun, W. Y. Sun, Y. C. Sun, Y. H. Sun, Y. J. Sun, Y. Z. Sun, Z. Q. Sun, Z. T. Sun, C. J. Tang, G. Y. Tang, J. Tang, J. J. Tang, L. F. Tang, Y. A. Tang, L. Y. Tao, M. Tat, J. X. Teng, J. Y. Tian, W. H. Tian, Y. Tian, Z. F. Tian, I. Uman, B. Wang, B. Wang, Bo Wang, C. Wang, C. Wang, Cong Wang, D. Y. Wang, H. J. Wang, J. Wang, J. J. Wang, J. P. Wang, J. P. Wang, K. Wang, L. L. Wang, L. W. Wang, M. Wang, M. Wang, N. Y. Wang, S. Wang, Shun Wang, T. Wang, T. J. Wang, W. Wang, W. P. Wang, X. Wang, X. F. Wang, X. L. Wang, X. N. Wang, Xin Wang, Y. Wang, Y. D. Wang, Y. F. Wang, Y. H. Wang, Y. J. Wang, Y. L. Wang, Y. N. Wang, Y. N. Wang, Yaqian Wang, Yi Wang, Yuan Wang, Z. Wang, Z. Wang, Z. L. Wang, Z. Q. Wang, Z. Y. Wang, Ziyi Wang, D. Wei, D. H. Wei, H. R. Wei, F. Weidner, S. P. Wen, U. Wiedner, G. Wilkinson, M. Wolke, J. F. Wu, L. H. Wu, L. J. Wu, Lianjie Wu, S. G. Wu, S. M. Wu, X. W. Wu, Y. J. Wu, Z. Wu, L. Xia, B. H. Xiang, D. Xiao, G. Y. Xiao, H. Xiao, Y. L. Xiao, Z. J. Xiao, C. Xie, K. J. Xie, Y. Xie, Y. G. Xie, Y. H. Xie, Z. P. Xie, T. Y. Xing, C. F. Xu, C. J. Xu, G. F. Xu, H. Y. Xu, M. Xu, Q. J. Xu, Q. N. Xu, T. D. Xu, X. P. Xu, Y. Xu, Y. C. Xu, Z. S. Xu, F. Yan, L. Yan, W. B. Yan, W. C. Yan, W. H. Yan, W. P. Yan, X. Q. Yan, X. Q. Yan, Y. Y. Yan, H. J. Yang, H. L. Yang, H. X. Yang, J. H. Yang, R. J. Yang, Y. Yang, Y. H. Yang, Y. Q. Yang, Y. Z. Yang, Z. P. Yao, M. Ye, M. H. Ye, Z. J. Ye, Junhao Yin, Z. Y. You, B. X. Yu, C. X. Yu, G. Yu, J. S. Yu, L. W. Yu, T. Yu, X. D. Yu, Y. C. Yu, Y. C. Yu, C. Z. Yuan, H. Yuan, J. Yuan, J. Yuan, L. Yuan, M. K. Yuan, S. H. Yuan, Y. Yuan, C. X. Yue, Ying Yue, A. A. Zafar, F. R. Zeng, S. H. Zeng, X. Zeng, Y. J. Zeng, Y. J. Zeng, Y. C. Zhai, Y. H. Zhan, Zhang, B. L. Zhang, B. X. Zhang, D. H. Zhang, G. Y. Zhang, G. Y. Zhang, H. Zhang, H. Zhang, H. C. Zhang, H. H. Zhang, H. Q. Zhang, H. R. Zhang, H. Y. Zhang, J. Zhang, J. J. Zhang, J. L. Zhang, J. Q. Zhang, J. S. Zhang, J. W. Zhang, J. X. Zhang, J. Y. Zhang, J. Z. Zhang, Jianyu Zhang, L. M. Zhang, Lei Zhang, N. Zhang, N. Zhang, P. Zhang, Q. Zhang, Q. Y. Zhang, R. Y. Zhang, S. H. Zhang, Shulei Zhang, X. M. Zhang, X. Y. Zhang, Y. Zhang, Y. Zhang, Y. T. Zhang, Y. H. Zhang, Y. P. Zhang, Z. D. Zhang, Z. H. Zhang, Z. L. Zhang, Z. L. Zhang, Z. X. Zhang, Z. Y. Zhang, Z. Y. Zhang, Z. Z. Zhang, Zh. Zh. Zhang, G. Zhao, J. Y. Zhao, J. Z. Zhao, L. Zhao, L. Zhao, M. G. Zhao, S. J. Zhao, Y. B. Zhao, Y. L. Zhao, Y. X. Zhao, Z. G. Zhao, A. Zhemchugov, B. Zheng, B. M. Zheng, J. P. Zheng, W. J. Zheng, X. R. Zheng, Y. H. Zheng, B. Zhong, C. Zhong, H. Zhou, J. Q. Zhou, S. Zhou, X. Zhou, X. K. Zhou, X. R. Zhou, X. Y. Zhou, Y. X. Zhou, Y. Z. Zhou, A. N. Zhu, J. Zhu, K. Zhu, K. J. Zhu, K. S. Zhu, L. X. Zhu, Lin Zhu, S. H. Zhu, T. J. Zhu, W. D. Zhu, W. J. Zhu, W. Z. Zhu, Y. C. Zhu, Z. A. Zhu, X. Y. Zhuang, J. H. Zou
原始论文采用 CC BY 4.0 许可(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性,请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下,宇宙是一个巨大的、宇宙级的建筑工地,万物都是由被称为“夸克”的微小、基础的乐高积木搭建而成的。通常情况下,这些积木会以非常可预测的方式组合在一起:两个夸克组成介子,三个夸克组成重子,依此类推。但每隔一段时间,宇宙就会抛出一个变数。它建造了一些奇特的、异型的结构,这些结构并不符合标准的蓝图。物理学家称这些神秘的存在为“Y态”。它们就像是幽灵般的、沉重的乐高造物,在高速碰撞中出现又消失,而且没人能完全确定它们是由什么组成的,或者它们是如何结合在一起的。它们仅仅是夸克的混乱堆积吗?是其他粒子的分子吗?还是某种全新的东西,比如一个四夸克四重态?弄清楚这些Y态的“配方”是现代粒子物理学中最重大的谜题之一,因为解决这个问题可能会改写关于物质如何构建的规则手册。
为了捕捉这些转瞬即逝的幽灵,科学家们使用了大型粒子加速器,它们就像是亚原子粒子的巨大圆形赛车场。人们将电子与其反物质孪生兄弟——正电子进行高速碰撞。当这两者碰撞时,它们可以短暂地转化为纯能量,随后这种能量会“喷涌”出新的粒子。通过精确测量产生特定粒子组合的碰撞频率,物理学家可以发现这些神秘Y态留下的“足迹”。这就像是通过观察动物在泥地里留下的痕迹来推测一只隐藏动物的长相;如果你看到特定模式的足迹在某些特定速度下频繁出现,你就知道那里藏着一个生物。
在这项新研究中,一个被称为BESIII合作组的研究团队决定仔细观察一个特定的、棘手的配方:通过碰撞电子和正电子,观察是否会产生两个中性π介子(一种轻粒子)和一个被称为ψ(3686)的重粒子。他们收集了海量的数据,相当于22.1反常费米的碰撞量,覆盖了从4.008 GeV到4.951 GeV的广泛能量范围。这就像是在巨大的频率范围内调谐收音机,看看是否能接收到清晰的电台信号。
团队发现,这一特定反应的“信号”出奇地微弱——大约只有涉及带电π介子的类似反应信号强度的一半。这并非失败,实际上它完美契合了自然界的一条基本规则,即“同位旋对称性”,该规则准确预言了中性粒子与带电粒子之间存在这种关系。这就像是发现制作巧克力蛋糕的配方做出的饼干数量恰好是制作香草蛋糕配方的一半,从而证实了厨房规则运行正常。
但真正的宝藏猎寻在于细节之中。通过以极高的精度分析数据,研究人员寻找图中可能指示存在那些神秘Y态的“凸起”。他们发现了两个强有力的证据,分别指向Y(4390)和Y(4660)。这两个状态的统计证据极其强大——超过了5个标准差(sigma),在粒子物理学界,这是“发现”的金标准。这就像是抛硬币,连续50次都出现了正面,你几乎可以肯定这枚硬币是被动过手脚的。团队测量了这两个状态的质量和宽度(即它们持续的时间),结果与带电π介子版本实验中所观察到的数据完美吻合。
然而,故事并未完全结束。团队还寻找了第三个状态——Y(4230),但其信号过于微弱,无法确定。它确实存在,但声音不够响亮,无法带着信心大声喊出“我在这里!”。因此,他们借鉴了以往实验中已知的Y(4230)属性来辅助拟合剩余的数据。最终的结果呈现出一幅连贯的图景:三个截然不同的共振结构与非共振活动的“背景嗡鸣声”共同起舞。
简而言之,这篇论文证实了宇宙确实在中性π介子通道中托管着这些奇异的重粒子,正如它在带电通道中所做的那样。它目前还无法确切告知我们这些Y态究竟是由什么构成的,但它为这些粒子居住和行为的场所提供了一张更清晰的地图。这是通往理解宇宙深层、隐藏结构的漫长旅程中的关键一步,再次证明了即使是最微小的碰撞也能揭示最伟大的奥秘。
技术摘要:e+e−→π0π0ψ(3686) 截面测量
问题与动机
在过去的二十年里,发现了许多具有 JPC=1−− 量子数的类粲偶素态,这些状态统称为 Y 态。这些状态(包括 Y(4230)、Y(4390) 和 Y(4660))对传统的夸克模型提出了挑战,其可能的解释包括杂化介子或四夸克态。虽然这些状态在带电末态中已得到了广泛研究(例如 e+e−→π+π−ψ(3686)),但其在中性通道中的性质仍有待进一步探索。此前,BESIII 实验对 π0π0ψ(3686) 末态的调查由于统计量有限,未发现显著的共振结构。本文旨在通过更高统计量的数据,在研究中性通道中 Y 态的同时,通过比较中性与带电产率来检验同位旋对称性的预期。
方法论
本分析利用了在 BEPCII e+e− 对撞机上使用 BESIII 探测器采集的数据样本,在质心能量(s)范围为 4.008 至 4.951 GeV 内,总积分亮度为 22.1 fb−1。
- 事件重建: ψ(3686) 通过衰变链 ψ(3686)→π+π−J/ψ 进行重建,其中 J/ψ 衰变为轻子对(ℓ+ℓ−,其中 ℓ=e,μ),π0 介子则衰变为光子对(γγ)。
- 选择标准: 基于带电径迹质量、光子能量阈值和运动学约束来筛选事件。应用四约束(4C)运动学拟合以强制执行能量-动量守恒,随后采用七约束(7C)拟合,结合 π0 和 J/ψ 候选体的质量约束以提高分辨率。
- 背景抑制: 主要背景来源于过程 e+e−→π+π−ψ(3686),其中 ψ(3686) 衰变为 π0π0J/ψ。该背景通过不变质量(M(π+π−ℓ+ℓ−) vs. M(π0π0ℓ+ℓ−))的二维分布与信号进行区分。
- 截面提取: 通过对 M(π+π−ℓ+ℓ−) 分布进行无分箱极大似然拟合来提取信号产额。Born 截面利用信号产额、积分亮度、探测效率以及针对初态辐射(ISR)和真空极化的修正进行计算。对于统计量较低(显著性 <3σ)的数据点,使用贝叶斯方法导出 90% 置信水平的上界。
- 共振分析: 绘制出的“着色”(dressed)截面使用扩展极大似然方法进行拟合。模型包括三个 Breit-Wigner 共振态(Y(4230)、Y(4390) 和 Y(4660))的相干叠加以及一个非共振连续项。Y(4230) 的参数固定为在带电通道中测得的值,而 Y(4390) 和 Y(4660) 的参数则允许变化。
主要贡献与结果
- 截面测量: 本文给出了在 4.008–4.951 GeV 能量范围内 e+e−→π0π0ψ(3686) 截面的首次精确测量。测得的截面约为带电通道 e+e−→π+π−ψ(3686) 的一半,这一结果与同位旋对称性的预期一致。
- 共振观察: 对着色截面的相干拟合揭示了共振结构的出现。Y(4390) 和 Y(4660) 态的统计显著性被确定为大于 5σ(分别为 11.4σ 和 5.7σ),证实了它们在 π0π0ψ(3686) 末态中的存在。Y(4230) 的显著性为 1.9σ;因此,其参数是基于先前的测量值固定的。
- 共振参数: 观测到的态的质量和宽度测量如下:
- Y(4390): Mass = 4383.0±8.6±1.9 MeV/c2, Width = 117.4±20.7±4.8 MeV。
- Y(4660): Mass = 4684.0±17.3±1.9 MeV/c2, Width = 119.5±47.1±9.1 MeV。
这些值在不确定度范围内与带电通道的先前测量值一致。关于共振相对相位,发现了四个具有相似拟合质量的解。
意义
本文声称这些结果为研究类粲偶素态及 $XYZ粒子的本质提供了宝贵信息。通过证实Y(4390)和Y(4660)在中性\pi^0\pi^0\psi(3686)$ 通道中的存在,并证明其与同位旋对称性的一致性,这项工作有助于约束有关这些奇异态内部结构的理论模型。在不同末态中测量共振参数也有助于解决不同实验过程之间观察到的差异。
您所在领域的论文太多了?
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要,使用您的语言。
每周获取最佳 high-energy experiments 论文。
受到斯坦福、剑桥和法国科学院研究人员的信赖。
请查收邮箱确认订阅。
出了点问题,再试一次?
无垃圾邮件,随时退订。