Amplitude analysis and branching fraction measurement of J/ψ→ΛΣˉ0η+c.c
利用 BESIII 探测器收集的大量 J/ψ 事件,本研究对衰变过程 J/ψ→ΛΣˉ0η+c.c. 进行了首次部分波分析,识别出来自激发态 Λ 态(Λ(1670) 和 Λ(1810))的主导贡献,并测量了它们的质量、宽度以及该过程的分支比。
原作者: BESIII Collaboration, M. Ablikim, M. N. Achasov, P. Adlarson, X. C. Ai, C. S. Akondi, R. Aliberti, A. Amoroso, Q. An, Y. H. An, Y. Bai, O. Bakina, Y. Ban, H. -R. Bao, X. L. 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, W. Chen, X. R. Chen, X. T. Chen, X. Y. Chen, Y. B. Chen, Y. Q. Chen, Z. K. Chen, J. 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. Q. 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. Gollub, J. B. Gong, 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, Y. X. 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, L. K. Jia, X. Q. Jia, Z. K. Jia, D. Jiang, H. B. Jiang, P. C. Jiang, S. J. Jiang, X. S. Jiang, Y. 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, L. Krümmel, Y. Y. Kuang, 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, C. K. Li, D. M. Li, F. Li, G. Li, H. B. Li, H. J. Li, H. L. Li, H. N. Li, H. P. Li, Hui 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. Li, S. X. Li, S. Y. 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. P. Li, Z. H. Li, Z. J. Li, Z. L. 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, 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. P. Liu, X. Y. Liu, Y. Liu, Y. Liu, Y. B. Liu, Z. A. Liu, Z. D. Liu, Z. L. 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, 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, M. H. 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, M. Stolte, 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, E. van der Smagt, B. Wang, B. Wang, Bo Wang, C. Wang, C. Wang, Cong Wang, D. Y. Wang, H. J. Wang, H. R. Wang, J. Wang, J. J. 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. 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, 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, D. B. Xiong, 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, Y. Y. Yan, H. J. Yang, H. L. Yang, H. X. Yang, J. H. Yang, R. J. Yang, Y. Yang, Y. H. Yang, Y. H. Yang, Y. M. Yang, Y. Q. Yang, Y. Z. Yang, Z. Y. 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, S. N. 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. Y. Zhang, J. Z. Zhang, Jianyu Zhang, L. M. Zhang, Lei Zhang, N. Zhang, P. Zhang, Q. Zhang, Q. Y. Zhang, Q. Z. 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. Y. Zhang, Zh. Zh. Zhang, G. Zhao, J. -P. Zhao, J. Y. Zhao, J. Z. Zhao, L. Zhao, L. Zhao, M. G. Zhao, S. J. Zhao, Y. B. Zhao, Y. L. Zhao, Y. P. Zhao, Y. X. Zhao, Z. G. Zhao, A. Zhemchugov, B. Zheng, B. M. Zheng, J. P. Zheng, W. J. Zheng, W. Q. 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, 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、如同宇宙级弹珠台般的机器。在这个机器内部,微小的粒子四处跳跃、碰撞,有时还会破碎成新的、转瞬即逝的形状。中国的 BESIII 实验团队多年来一直观察着这张弹珠台,收集了超过 100 亿次特定粒子——J/ψ 发生碰撞的数据。
在这项最新的研究中,他们将镜头对准了一次非常特殊且罕见的碰撞:一个 J/ψ 粒子衰变为由三个其他粒子组成的组合——一个 Lambda 重子(Λ)、一个反 Sigma 重子(Σˉ0)和一个 eta 介子(η)。这就像是在观察一颗单颗台球破碎成三个特定的、旋转着的碎片。
核心发现:寻找“幽灵”粒子
真正的魔力不仅在于看到这场碰撞;更在于弄清楚它是如何发生的。科学家们怀疑,J/ψ 并非只是随机地破碎。相反,它很可能形成了一个临时的、处于激发态的“中间人”粒子(一种共振态),在消失之前存在了极短的一瞬。
通过分析碎片的能量和角度,团队进行了一项复杂的“振幅分析”(可以将其想象为一个高科技音频均衡器,能够将噪声与音乐分离)。他们发现,数据能被两种特定的激发态 Lambda 粒子得到最好的解释:
- Λ(1670): 这是一个广为人知的“幽灵”,其质量为 1668.8 ± 3.1 ± 21.2 MeV/c²,宽度(即持续时间)为 52.7 ± 4.2 ± 17.8 MeV。团队以极高的置信度发现了它(超过 20σ,这就像是在干草堆里找到一根针,并且百分之百确定它就是一根针)。
- Λ(1810): 这一个更加神秘。数据表明存在第二个粒子,其质量为 1881.5 ± 16.5 ± 20.3 MeV/c²,宽度为 82.4 ± 18.2 ± 8.9 MeV。虽然粒子数据组(粒子的百科全书)列出了一个 Λ(1810),但其存在性一直存在争议。这项研究发现了支持它的强有力证据(约 10.9σ 置信度),尽管团队指出,另一个粒子 Λ(1890) 是一个略微更可能的替代选项。他们并未完全排除 Λ(1890),但 Λ(1810) 是目前更理想的猜测。
他们排除了什么
科学家们非常谨慎,没有进行盲目的猜测。他们测试了许多其他可能性,包括不同类型的激发态粒子以及各种自旋组合。
- 他们明确发现,在反 Sigma 和 eta 粒子对(Σˉ0η)的质量分布中没有出现明显的结构。因此,他们并未在此特定的分析中寻找激发态的反 Sigma 粒子。
- 他们还检查了第二个粒子是否可能是 Λ(1890)(它具有不同的自旋)。虽然数学计算允许这种可能性,但拟合效果稍差。论文指出 Λ(1810) 是更好的匹配,但并未声称已经用绝对的确定性“解决”了这个谜团。
“发生频率”的问题
团队还精确统计了这种特定的三部分破碎过程发生的频率。在他们研究的所有 J/ψ 粒子中,这种特定的衰变大约每 100,000 次中发生 3.44 ± 0.11 ± 0.13 次。这是一个罕见的事件,但凭借庞大的数据集,他们能够精确测量。
他们的把握有多大?
这些结果基于 BESIII 探测器收集到的 10,087 ± 44 百万个 J/ψ 事件的真实数据。
- 对 Λ(1670) 的发现是极其稳固的。
- 对 Λ(1810) 的识别是非常强力的,但论文承认它极有可能也是别的什么东西(例如 Λ(1890))。
- 质量和宽度的测量都带有“误差棒”(不确定性)。例如,Λ(1810) 的质量测量值为 1881.5,但其真实值可能会在 ± 16.5(统计误差)和 ± 20.3(系统误差)的范围内稍高或稍低。
简而言之,科学家们成功绘制出了两次激发态 Lambda 粒子在一次罕见宇宙碰撞中留下的“足迹”。他们不仅仅是在猜测;他们测量了这些粒子的足迹,称量了它们的质量,并计时了它们在消失前跳舞的时间,同时对那个略显不确定的候选粒子保持着开放的态度。
技术摘要:J/ψ→ΛˉΣ0η+c.c. 的振幅分析与分支比测量
问题陈述
激发态轻味强子的能谱和结构对于理解包括禁闭和手征对称性破缺在内的非微扰量子色动力学(QCD)至关重要。虽然夸克模型预测了大量的 Λ∗ 共振态,但实验信息仍然匮乏。具体而言,位于 ηΛ 阈值附近的 Λ(1670) 具有多种理论解释(例如 SU(3) 八重态伙伴、介子-重子束缚态或多夸克混合物),但相关数据有限。同样,Λ(1810) 共振态的存在及其性质也存在争议;虽然一些证据暗示其存在,但其量子数和分支比在粒子数据组(PDG)列表中的确定程度较低,部分模型仅提供了微弱的证据。通过在 ηΛ 质量分布中进行观测来澄清这些态的结构性质是至关重要的。
方法论
本研究利用了由 BESIII 探测器在 BEPCII 碰撞器上收集的 (10087±44)×106 个 J/ψ 事件的数据样本。分析重点在于通过末态 γγγppˉπ+π− 重构的衰变链 J/ψ→ΛˉΣ0η+c.c.,其中对应于子衰变 Λ→pπ−、Λˉ→pˉπ+、Σ0→γΛˉ 和 η→γγ。
- 事件选择: 要求三个光子候选者和四个净电荷为零的带电轨道进行候选者选择。应用运动学拟合:针对 ΛΛˉγγγ 假设进行四约束(4C)拟合,随后是结合 η→γγ 质量约束的五约束(5C)拟合。通过比较竞争假设的 χ2 值来抑制来自 J/ψ→ΛΛˉπ0γ 的背景。
- 信号提取: 通过要求 γΛˉ 不变质量落在 Σ0 信号区域(1.184<M<1.199 GeV/c2)内来隔离 ΛˉΣ0 信号。使用定义的侧带区域 1.157<M<1.164 GeV/c2 和 1.215<M<1.223 GeV/c2 来估计背景贡献。
- 部分波分析 (PWA): 使用螺旋度振幅形式和同类异构体模型(isobar model)进行 PWA,该模型通过 TF-PWA 框架实现。将衰变建模为连续的准两体过程。分析测试了具有不同自旋-宇称(JP)分配的各种中间 Λ∗ 态(列于论文表 I 中)。似然函数基于微分截面和探测效率构建,并使用侧带事件进行背景减除。
主要贡献与结果
本工作展示了对 J/ψ→ΛˉΣ0η+c.c. 衰变首次进行的偏波分析。
- 共振态识别: 数据可以由包含 ηΛ 质量谱中两个主要共振贡献的模型很好地描述:
- 一个 JP=1/2− 且质量在 1.67 GeV/c2 附近的态,被鉴定为 Λ(1670)。
- 一个 JP=1/2+ 且质量在 1.88 GeV/c2 附近的态,被鉴定为 Λ(1810)。
- 第二个共振态的拟合质量在 JP=1/2+(优于 3/2+)时略好,尽管其质量比 PDG 中 Λ(1810) 的值高出约 90 MeV/c2(在两个标准差范围内)。
- 测量参数:
- Λ(1670): 质量 M=1668.8±3.1±21.2 MeV/c2,宽度 Γ=52.7±4.2±17.8 MeV。
- Λ(1810): 质量 M=1881.5±16.5±20.3 MeV/c2,宽度 Γ=82.4±18.2±8.9 MeV。
- 统计显著性分别为 Λ(1670) 的 >20σ 和 Λ(1810) 的 10.9σ。
- 分支比: 总分支比测量为:
B(J/ψ→ΛˉΣ0η+c.c.)=(3.44±0.11±0.13)×10−5
同时也确定了单个共振组分的乘积分支比。
意义
该论文声称,本分析提供了用于澄清 Λ(1670) 和 Λ(1810) 共振态结构性质的关键实验数据。通过在同位旋破坏的 J/ψ 衰变中观察这些态的 ηΛ 质量分布,本研究为强子谱学和 SU(3) 味对称性提供了独特的探测手段。通过观测具有 JP=1/2+ 的 Λ(1810),本研究为有关其存在性和量子数的持续讨论做出了贡献,解决了目前 PDG 中可用的实验信息稀缺的问题。结果与主要贡献为激发 Λ 态的一致性相符,为进一步的轻味强子共振态理论解释提供了基准。
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