Amplitude analysis of ψ(3686) radiative decays into π0π0 system
利用 BESIII 探测器收集的 27 亿个 ψ(3686) 衰变的大型数据集,本文对辐射衰变中的 π0π0 系统进行了模型无关的振幅分析,揭示了与 J/ψ 研究一致的标量部分波行为,并将 f2(1270) 识别为唯一的显著张量共振态,同时为未来的现象学建模提供了分箱对数似然结果。
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, 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, C. Q. Deng, 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, 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, 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, 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, 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, X. Kui, N. Kumar, A. Kupsc, W. Kühn, Q. Lan, W. N. 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. Li, Y. H. Li, Y. B. Li, Y. C. 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, 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. M. 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. L. 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, 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, 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, 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, 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. 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, 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. 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, Lianjie 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, W. P. Yan, X. Q. Yan, Y. Y. Yan, H. J. Yang, H. L. Yang, H. X. Yang, J. H. 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, 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, 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. 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. 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. X. Zhang, Z. Y. Zhang, Zh. Zh. 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, 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, 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,物质是由少数几种基本粒子构成的,这些粒子通过由其他粒子携带的力量进行相互作用。其中,强力将原子核结合在一起,其行为由一种被称为量子色动力学的理论所描述。该理论预测,虽然大多数物质是由夸克组成的,但应该还存在完全由力携带粒子本身——即胶子——构成的粒子。这些假设中的物体被称为“胶球”(glueballs),它们是纯粹的能量与力的束缚体,内部没有任何夸克。寻找它们一直是现代物理学中最持久的挑战之一,因为它们被预期是不稳定的,且难以与普通粒子区分开来。物理学家通过高速碰撞粒子并观察它们如何破碎来寻找它们,希望能发现任何已知夸克组合都无法解释的模式。
使用北京电子正负电子对撞机 BESIII 探测器的一个研究小组,通过研究一种特定的粒子衰变,对这一问题进行了全新的审视。他们关注的是 ψ(3686),这是一种由一个粲夸克及其反物质伙伴组成的重粒子。当这种粒子发生衰变时,它会发出一个光子,并留下两个中性 π 介子(一种由夸克组成、质量非常轻的粒子)。研究人员分析了一个包含超过 27 亿次此类衰变的庞大数据集。通过仔细测量所得粒子的能量和动量,他们重建了 π 介子对的质量,以观察数据中是否会出现任何隐藏的结构。他们的目标是绘制出这些粒子的行为图谱,而不强行让数据去符合某种预设的理论,从而让自然的模式自行显现。
该团队对 π 介子对如何相互作用进行了详细分析,根据它们的自旋和对称性将数据分为不同的类别。他们发现,最简单、最低能级的相互作用(被称为标量波)的行为非常复杂,显示出多个重叠共振态(即粒子短暂结合的临时状态)的迹象。这种模式与之前在相关粒子 J/ψ 研究中观察到的现象非常相似。然而,当他们观察更复杂的、更高能级的相互作用(即张量波)时,结果则要安静得多。除了一个被称为 f2(1270) 的已知粒子外,数据在研究的质量范围内没有显示出任何其他明显的结构或共振态。
这种新结构的缺失是一个重要的发现,因为许多理论预测,一个具有张量波特性的胶球应该出现在这个特定的质量范围内,大约在 1 到 3 十亿电子伏特之间。研究人员极其仔细地检查了数据,考虑了每一个可能的误差来源和背景噪声,包括探测器可能误识别粒子的罕见可能性。他们发现,数据本身并不支持存在一个可以被鉴定为张量胶球的新共振态。虽然这项研究没有找到那难以捉摸的胶球,但它提供了一份极其精确的实际存在图谱,排除了几种可能性,并提供了一个干净的数据集,供其他科学家用于完善他们的理论。这项工作证实了寻找这些纯胶子粒子的过程依然困难,但它通过清晰地定义已知粒子在该能量区域的景观,为未来的调查提供了坚实的基础。
技术摘要:ψ(3686) 辐射衰变为 π0π0 系统的振幅分析
问题与动机
寻找超越传统夸克模型的粒子,特别是胶球(胶子的颜色单态束缚态),仍然是量子色动力学(QCD)的一项核心任务。虽然格点 QCD 和其他理论方法预测在 3 GeV/c2 以下存在标量、张量和伪标量胶球,但由于其与常规 qqˉ 态的混合,实验鉴定具有挑战性。强子辐射衰变(如粲夸克对 ccˉ 的辐射衰变)被认为是理想的“富胶”环境,有利于胶球的产生。
此前由 BESIII 实验对辐射 J/ψ 衰变进行的研究所提供的见解受到了相空间限制,这限制了对高不变质量区域(2.5–3 GeV/c2)的敏感度,而该区域对于张量胶球的搜索至关重要。此外,研究 ψ(3686)→γπ+π− 会受到来自 ψ(3686)→π0π+π− 伴随额外光子的显著背景干扰。本文通过分析中性通道 ψ(3686)→γπ0π0 来解决这些局限性,该通道不存在此类背景,并且允许访问直至 ψ(3686) 质量的全 π0π0 不变量质量谱。
方法论
本分析利用了由 BESIII 探测器收集的 (2712.4±14.3)×106 个 ψ(3686) 事件的数据集。研究采用了模型无关(MI)振幅分析(也称为质量无关部分波分析),以最大限度地减少对 π0π0 系统动力学的假设。
- 事件选择: 选择要求包含五个光子候选物(一个辐射光子和两个来自 π0 衰变的对)且无带电径迹的候选事件。应用 6C 运动学拟合(约束四动量和两个 π0 质量)以抑制组合背景。应用特定的截断来抑制来自 ψ(3686)→ωπ0 的背景及误重构事件。
- 背景估计: 背景通过包含性蒙特卡洛(MC)样本、离共振数据以及数据驱动的侧带研究进行评估。总背景污染估计约为 1.8%,主要由包含性 MC 贡献组成。
- 振幅形式: 衰变振幅被分解为角向部分和动力学部分。动力学部分 Vj,Jγ(s) 代表与角动量为 j 和辐射多极矩为 Jγ 的中间态的耦合,在 π0π0 不变质量(Minv)的窄区间内被视为常数。
- 基准拟合包括 0++ E1 振幅以及 2++ E1、M2 和 E3 振幅。
- 研究发现更高自旋的振幅(4++ 及以上)对拟合质量没有统计学上的显著提升。
- 统计处理: 由于似然函数在极小值附近表现出非抛物线行为,因此不引用对称的不确定度。相反,提供了部分波强度的负对数似然(NLL)扫描结果。
- 系统误差: 系统误差分为第 1 类(全局归一化,例如光子效率、ψ(3686) 产额)和第 2 类(依赖于质量箱,例如运动学拟合限制、背景建模)。第 2 类不确定度通过将 NLL 扫描与高斯函数进行卷积来纳入,这一过程同时也解决了质量无关分析中经常出现的两个数学解之间的歧义。
主要贡献
- 数据集: 本分析基于迄今为止可用的最大 ψ(3686) 数据集,从而能够对轻强子谱进行高统计量研究。
- 模型无关方法: 通过在主要分析中避免使用特定的共振参数化(如 Breit-Wigner 求和),本文提供了部分波强度的分段函数。这保留了所有的统计信息,并允许将结果与其他数据集结合,用于未来的唯象模型开发。
- 消除歧义: 通过应用系统误差卷积,成功打破了歧义解之间的简并,在每个质量箱内得到了单一的标称强度。
结果
分析给出了标量(0++)和张量(2++)部分波强度作为 π0π0 不变质量(Minv)的函数:
- 标量部分波(0++): 观测到的贡献表现出复杂的重叠共振模式。其行为被认为与之前在辐射 J/ψ 衰变研究中报告的结果相似。
- 张量部分波(2++): 分析揭示了清晰可见的 f2(1270) 共振峰。然而,在 1.5 GeV/c2 以上的质量区域,张量贡献在大多数质量箱内与零在 1σ 范围内一致。
- 胶球搜索: 结果在所研究的质量范围内没有发现可以解释为张量胶球的共振结构。观测到的张量波增强(如果有的话)与高质量态的低质量尾部一致,而非一个独特的胶球候选者。
- 相位差: 部分波之间的相位差仅在 1.0–1.5 GeV/c2 的窄区间内具有统计学意义;在此范围之外,信息不足以进行后续研究。
意义与主张
论文声称,所提供的模型无关描述允许将这些结果与其他相关数据结合,以开发更受约束的唯象模型。虽然本研究并未证实张量胶球的存在,但它为辐射 ψ(3686) 衰变中的 π0π0 系统建立了严谨的基准。作者强调,结果以不变质量箱内的对数似然扫描形式呈现,考虑了相关的系统误差,并保留了进行未来全局拟合所需的完整统计信息。研究结论认为,仅基于部分波强度,在 3 GeV/c2 以下的质量范围内没有明确的张量胶球证据,尽管这些数据对于在模型依赖框架下的进一步研究仍具有价值。
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