Improved amplitude analysis of η′→π+π−π0 and η′→π0π0π0
利用来自 BESIII 探测器的大量 J/ψ 事件,本研究对 η′→π+π−π0 和 η′→π0π0π0 衰变进行了振幅分析,观测到了显著的 ππ P 波和 S 波相互作用,同时强调由于存在巨大的干涉效应,所得出的分支比具有较强的模型依赖性。
原作者: M. Ablikim, M. N. Achasov, P. Adlarson, X. C. Ai, C. S. Akondi, R. Aliberti, A. Amoroso, Q. An, M. S. Anderson, Y. Bai, O. Bakina, H. R. Bao, X. L. Bao, M. Barbagiovanni, 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, D. Cabiati, 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, Z. Y. Deng, A. Denig, I. Denisenko, M. Destefanis, F. De Mori, E. Di Fiore, X. X. Ding, Y. Ding, Y. X. Ding, J. Dong, L. Y. Dong, M. Y. Dong, X. Dong, Z. J. Dong, M. C. Du, S. X. Du, Shaoxu Du, X. L. Du, Y. Q. Du, Y. Y. Duan, Z. H. Duan, P. Egorov, G. F. Fan, J. J. Fan, K. X. Fan, Y. H. Fan, J. Fang, Jin Fang, S. S. Fang, W. X. Fang, Y. Q. Fang, L. Fava, F. Feldbauer, G. Felici, C. Q. Feng, J. H. Feng, Q. X. Feng, Y. T. Feng, M. Fritsch, C. D. Fu, J. L. Fu, Y. W. Fu, H. Gao, Xu Gao, Y. Gao, Y. N. Gao, Y. Y. Gao, Yunong Gao, Z. Gao, S. Garbolino, I. Garzia, L. Ge, P. T. Ge, Z. W. Ge, C. Geng, A. Gilman, K. Goetzen, J. Gollub, J. B. Gong, J. D. Gong, L. Gong, W. X. Gong, W. Gradl, M. Greco, M. D. Gu, M. H. Gu, C. Y. Guan, A. Q. Guo, H. Guo, J. N. Guo, L. B. Guo, M. J. Guo, R. P. Guo, X. Guo, Y. P. Guo, Z. Guo, A. Guskov, J. Gutierrez, J. Y. Han, T. T. Han, X. Han, F. Hanisch, J. Y. Hao, K. D. Hao, X. Q. Hao, F. A. Harris, C. Z. He, K. K. He, K. L. He, F. H. Heinsius, C. H. Heinz, Y. K. Heng, C. Herold, N. D. Hoffman, 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, Q. Ji, Q. P. Ji, W. Ji, X. B. Ji, X. L. Ji, Y. Y. Ji, L. K. Jia, X. Q. Jia, D. 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, T. T. Lei, M. Lellmann, T. Lenz, C. Li, C. H. Li, C. K. Li, Chunkai Li, Cong 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. N. Li, J. S. Li, J. W. Li, K. Li, K. L. Li, L. J. Li, L. K. Li, Lei Li, M. H. Li, M. R. Li, M. T. 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. H. Li, Y. B. Li, Y. C. Li, Y. G. Li, Y. P. Li, Yi Li, Z. H. Li, Z. J. Li, Z. L. Li, Z. X. Li, Z. Y. Li, Zaiyi Li, C. Liang, H. Liang, Y. F. Liang, Y. T. Liang, Z. Z. Liang, G. R. Liao, L. B. Liao, M. H. Liao, Y. P. Liao, J. Libby, A. Limphirat, C. C. Lin, C. X. Lin, D. X. Lin, T. Lin, B. J. Liu, B. X. Liu, C. 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. Y. Liu, Ke Liu, Kun Liu, L. Liu, L. C. Liu, Lu Liu, M. H. Liu, P. L. Liu, Q. Liu, S. B. Liu, T. Liu, W. T. Liu, X. Liu, X. K. Liu, X. L. Liu, X. P. Liu, X. T. Liu, X. Y. Liu, Y. Liu, Y. B. Liu, Yi Liu, Z. A. Liu, Z. D. Liu, Z. Q. Liu, Z. X. 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, C. L. Ma, 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, F. E. Maas, I. MacKay, M. Maggiora, S. Maity, S. Malde, Q. A. Malik, L. M. Mansur, 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, A. F. Mohammad, 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, I. V. Ovtin, S. Pacetti, Y. Pan, C. Y. Pang, A. Pathak, Y. P. Pei, M. Pelizaeus, G. L. Peng, H. P. Peng, X. J. Peng, Y. Y. Peng, K. Peters, K. Petridis, J. L. Ping, R. G. Ping, S. Plura, V. Prasad, L. Pöpping, F. Z. Qi, H. R. Qi, L. Y. Qian, 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, K. Ravindran, C. F. Redmer, A. Rivetti, M. Rolo, G. Rong, S. S. Rong, F. Rosini, Ch. Rosner, M. Q. Ruan, W. R. Ruangyoo, N. Salone, A. Sarantsev, Y. Schelhaas, M. Schernau, 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, Ch. Y. Shi, H. Shi, J. L. Shi, J. Y. Shi, M. H. Shi, S. Shi, S. Y. Shi, X. Shi, X. D. 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, W. Y. Sun, Y. C. Sun, Y. H. Sun, Y. J. Sun, Y. Z. Sun, Z. Q. Sun, Z. T. Sun, H. Tabaharizato, N. T. Tagsinsit, C. J. Tang, G. Y. Tang, J. Tang, J. J. Tang, L. F. Tang, Y. A. Tang, Z. H. Tang, L. Y. Tao, M. Tat, J. X. Teng, J. Y. Tian, W. H. Tian, Y. Tian, Z. F. Tian, K. Yu. Todyshev, I. Uman, E. van der Smagt, B. Wang, Bin Wang, Bo Wang, C. Wang, Chao Wang, Cong Wang, D. Y. Wang, F. K. Wang, H. J. Wang, H. R. Wang, J. Wang, J. H. Wang, J. J. Wang, J. P. Wang, K. Wang, L. L. Wang, L. W. Wang, M. Wang, Mi Wang, N. Y. Wang, P. Wang, S. Wang, Shun Wang, T. 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, Yanning Wang, Yaqian Wang, Yi Wang, Yuan Wang, Z. Wang, Z. L. Wang, Z. Q. Wang, Z. Y. Wang, Zhi Wang, Ziyi Wang, D. Wei, D. H. Wei, D. J. Wei, H. R. Wei, F. Weidner, H. R. Wen, S. P. Wen, U. Wiedner, G. Wilkinson, J. F. Wu, L. H. Wu, L. J. Wu, S. G. Wu, S. M. Wu, X. W. Wu, Z. Wu, H. L. Xia, 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, G. F. Xu, H. Y. 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, X. Q. Yan, Y. Y. Yan, H. J. Yang, H. L. Yang, H. X. Yang, J. H. Yang, L. Y. Yang, N. Yang, R. J. Yang, X. Y. Yang, Y. Yang, Y. G. Yang, Y. H. Yang, Y. M. Yang, Y. Q. Yang, Y. Z. Yang, Youhua Yang, Z. Y. Yang, W. J. Yao, Z. P. Yao, M. Ye, M. H. Ye, Z. J. Ye, K. Yi, Junhao Yin, Qiqin 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, Yongchao Yu, C. Z. Yuan, H. Yuan, J. Yuan, Jie Yuan, L. Yuan, M. K. Yuan, S. H. Yuan, Y. Yuan, Z. Y. Yuan, C. X. Yue, Ying Yue, A. A. Zafar, F. R. Zeng, S. H. Zeng, X. Zeng, Y. J. Zeng, Yujie Zeng, Y. C. Zhai, Y. H. Zhan, B. L. Zhang, B. R. Zhang, B. X. Zhang, D. H. Zhang, G. Y. Zhang, Gengyuan Zhang, H. Zhang, H. C. Zhang, H. H. Zhang, H. L. Zhang, H. Q. Zhang, H. R. Zhang, H. Y. Zhang, Han 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, Jin Zhang, Jiyuan Zhang, L. M. Zhang, Lei Zhang, N. Zhang, P. Zhang, Q. Y. Zhang, Q. Z. Zhang, R. Y. Zhang, S. H. Zhang, S. N. Zhang, Shulei Zhang, X. M. Zhang, X. Y. Zhang, Y. T. Zhang, Y. H. Zhang, Y. P. Zhang, Yao Zhang, Yu Zhang, Yu Zhang, Z. Zhang, Z. D. Zhang, Z. H. Zhang, Z. L. Zhang, Z. R. Zhang, Z. X. Zhang, Z. Y. Zhang, Zh. Zh. Zhang, Zhaoke Zhang, Zhilong Zhang, Ziyang Zhang, Ziyu Zhang, G. Zhao, J. -P. Zhao, J. Y. Zhao, J. Z. Zhao, L. Zhao, Lei Zhao, M. G. Zhao, R. P. 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, X. 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, M. Zhuge, J. H. Zou, J. Zu
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在亚原子世界中,物质是由一组被称为夸克的微小基本粒子构成的。我们周围看到的大多数物质都是由质子和中子组成的,而质子和中子本身又是由三个夸克结合在一起构成的。然而,还有一些更轻、更转瞬即逝的粒子叫做介子,它们仅由两个夸克组成。其中一种粒子就是 η′(eta-prime)介子,这是一种极短寿命的介子,会几乎瞬间衰变为其他粒子。物理学家对这些粒子如何破碎的过程深感兴趣,因为这一过程受强相互作用力(自然界中最强大的力)的支配。通过研究 η′ 粒子破碎成三个 π(pion,即派子)——这些是质子的较轻亲戚——的具体方式,科学家们希望了解上夸克和下夸克之间的细微差别。这些差异虽然极其微小,但对于解释为什么宇宙拥有现有的质量以及为什么物质以这种形式存在至关重要。
由研究人员利用北京电子正负电子对撞机上的 BESIII 检测器进行的这项研究,现在对这种破碎过程进行了更为深入的观察。他们分析了一个包含超过一百亿次碰撞事件的海量数据集,这一样本量大约是之前研究可用样本量的八倍。通过筛选这一庞大的数据集,他们能够重建 η′ 粒子衰变为三个 π 的过程,并观察了两种不同的情景:一种情景中的 π 包含正电、负电和中性电荷的混合,另一种情景则是三个 π 全为中性。其目标是绘制出能量和动量如何在碎片之间分布的精确图谱,这一过程揭示了衰变过程中起作用的隐藏力量。
研究人员发现,这种衰变并非简单的、随机的爆炸。相反,这些粒子在飞散的过程中以非常特定的方式相互作用。他们观察到,π 粒子经常形成临时的、转瞬即逝的配对,在分离之前表现为具有特定自旋的波,即 P 波。他们还观察到了被称为 S 波的更广泛、更弥散的相互作用的证据。为了理解这些模式,团队使用了两种不同的数学描述来模拟粒子的相互作用方式。一种描述将相互作用视为波的散射,而另一种则将其建模为一种特定的、短寿命的粒子——ρ(rho)介子的形成。两种模型都能很好地拟合数据,但它们讲述了关于相互作用强度略有不同的故事。
最重要的发现是,这些不同相互作用所携带的能量量在很大程度上取决于使用哪种数学模型。当研究人员使用波散射模型计算这些事件的频率时,他们发现 P 波相互作用在大约每 100,000 次 η′ 衰变中发生约 8.5 次,而 S 波相互作用发生的频率约为其 34 倍。然而,当他们切换到基于 ρ 介子的模型时,数值发生了显著变化。在第二种视角下,P 波相互作用的发生频率增加了约 30%,而 S 波则增加了约 10%。这种巨大的差异凸显了该领域面临的一个主要挑战:由于不同方式的粒子相互作用之间存在极强的干涉,最终的数值取决于观察数据的理论透镜。
尽管在精确的分解比例上存在这种不确定性,但整体图景是清晰且稳健的。团队证实,η′ 粒子衰变为三个 π 的总频率在带电版本中约为每 100,000 次衰变 35 次,中性版本也具有类似的速率。这些结果比以往任何测量都更加精确,并取代了基于较小样本的旧数据。该研究还排除了某些理论预测可能隐藏在数据中的其他更奇异的共振态的存在。通过提供如此详细的衰变图谱,研究人员为理论学家提供了一个更清晰的目标,有助于完善我们对塑造宇宙基本构建模块的根本力量的理解。
技术摘要:改进的 η′→π+π−π0 与 η′→π0π0π0 振幅分析
问题与动机
同位旋破缺衰变 η/η′→πππ 主要通过强相互作用引起,其诱因是由于 d−u 夸克质量差导致的手征对称性的显式破缺。虽然理论框架表明这些衰变可用于提取轻夸克质量差,但先前的假设——即衰变完全通过 η′→ηππ 过程并经由 π0-η 混合进行,且振幅在相空间内为常数——已被实验数据所证伪。具体而言,2017 年的 BESIII 分析显示,在带电模态(η′→π+π−π0)中存在显著的 P 波中间态贡献,而根据玻色对称性,这类贡献在中性模态(η′→π0π0π0)中是被禁止的;此外,还存在被解释为宽 σ 介子的共振 S 波贡献。此外,较大的系统误差和模型依赖性(特别是关于 ρ 传播子模型的问题)限制了以往分支比测量值的精度。本研究旨在通过使用显著更大的数据集来更好地控制背景和系统误差,从而解决这些局限性,进行改进的振幅分析。
方法论
本分析利用了由 BEPCII 碰撞器上的 BESIII 检测器收集的 (10087±44)×106 个 J/ψ 事件样本。研究重点关注辐射衰变 J/ψ→γη′,随后是 η′→π+π−π0 和 η′→π0π0π0 的衰变。
事件选择:
- 对于带电模态,选择具有两个相反电荷径迹和至少三个光子候选者的事件。应用六约束(6C)运动学拟合,将 γγ 和 π+π−π0 的不变质量约束在标称的 π0 和 η′ 质量附近。
- 对于中性模态,要求至少有七个光子且无带电径迹。执行八约束(8C)运动学拟合,约束三个 γγ 对以及 π0π0π0 系统。
- 背景抑制技术包括对 ω 和 η 介子质量区域进行剔除,并利用信号与背景运动学假设之间的似然比。
背景估计:
- 背景使用 1010 个包含性 J/ψ 事件的蒙特卡洛(MC)模拟进行估计,并利用数据驱动的控制样本进行验证。
- 峰值背景(例如 η′→γπ+π−,η′→γρ0)和非峰值背景(例如 J/ψ→π+π−π0π0)使用特定的 MC 样本进行建模,并拟合至不变质量分布。
振幅分析:
- 采用等距模型(isobar model),其中矩阵元由部分波振幅(S 波和 P 波)参数化。
- 对 π-π P 波传播子测试了两种不同的参数化方案:
- π-π 散射相移形式。
- Gounaris–Sakurai (GSBW) Breit–Wigner 形式。
- S 波包括非共振和共振(σ)成分。由于这些成分之间存在巨大的干涉,因此仅报告其总和作为 S 波的贡献。
- 对两种衰变模态进行非布林最大似然拟合,以同时提取振幅、相位和产额。
主要贡献与结果
- 数据集: 本分析受益于比之前 BESIII 研究大约八倍的数据集,显著降低了统计不确定性并改进了背景控制。
- 振幅结构: 研究证实了 η′→π+π−π0 中存在显著的 P 波和 S 波相互作用,而 η′→π0π0π0 中仅观察到 S 波,这与玻色对称性一致。未发现其他显著的共振态(如 f0(980) 或 ρ(1450)±)。
- 极点位置:
- P 波极点确定为 775.49(固定)−i(60.7±0.2) MeV,与实验测量值一致,但宽度略低于 PDG 平均值。
- 散射方案下的共振 S 波(σ)极点位于 (553.2±8.7)−i(220.0±8.0) MeV。
- 分支比:
- 总分支比:
- B(η′→π+π−π0)=(35.28±0.20±0.88)×10−4
- B(η′→π0π0π0)=(35.39±0.30±0.71)×10−4
这些结果取代了之前的 BESIII 测量值。
- 部分分支比(模型依赖性):
论文强调,由于存在巨大的干涉效应,P 波和 S 波的分支比具有很强的模型依赖性。- 散射方案: B(η′→π+π−π0)P=(8.52±0.22±0.26)×10−4 且 B(η′→π+π−π0)S=(34.10±0.24±0.68)×10−4。
- GSBW 方案: B(η′→π+π−π0)P=(12.27±0.44±0.25)×10−4 且 B(η′→π+π−π0)S=(41.19±0.45±0.91)×10−4。
与散射方案相比,GSBW 方案得到的 P 波和 S 波产额分别高出约 30% 和 10%。
- 总分支比:
意义
论文声称,改进的精度以及对振幅分析中模型依赖性的显式处理,为 η′→πππ 衰变提供了更稳健的描述。通过展示提取的部分波分支比如何根据所使用的传播子模型(散射 vs. GSBW)而发生显著变化,作者强调,在可靠地利用这些衰变宽度来提取轻夸克质量差之前,理论上的改进仍然是必要的。这些结果取代了之前的 BESIII 测量,并为测试手征对称性破缺和 π-π 散射动力学提供了更全面的数据集。
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