Improved measurement of ψ(3686)→π+π−η
利用 BESIII 探测器收集的大量 ψ(3686) 事件,本研究对 ψ(3686)→π+π−η 衰变进行了部分波分析,以测量 ρ(770)0η 通道的支率,首次高显著性地观测到 ψ(3686)→a2(1320)±π∓ 衰变,并确定了 η-η′ 混合角。
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, 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, 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, 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. 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, 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, 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. 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, 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, L. Y. 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. 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, Z. Z. 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, 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
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
在亚原子世界的深处,被称为“粲偶素”(charmonia)的粒子是物理学家独特的实验室。这些是当一个重的魅夸克与其反物质孪生兄弟——反魅夸克结合在一起时形成的短寿命状态。由于它们质量很大且衰变迅速,它们为研究强相互作用(即维持原子核稳定的基本相互作用)提供了罕见的观察窗口。当这些粲偶素粒子分解时,它们通常会转化为一对较轻的粒子,称为介子。通过研究这些转化究竟是如何发生的,科学家可以测试量子力学的规则,并寻找可能解释为何宇宙是由物质而非反物质构成的细微对称性破缺。一个特定的谜题涉及两种中性粒子:η(eta)和 η′(eta-prime)。虽然它们看起来和表现得非常相似,但实际上是不同底层夸克组合的混合体。它们混合在一起的精确方式由一个单一的数值——一个角度来定义,而这个角度一直难以确定。确定这个角度有助于物理学家理解强相互作用如何对待不同类型的夸克,以及这些粒子中是否存在隐藏的、奇异的成分。
由研究人员利用北京电子正负电子对撞机上的 BESIII 探测器开展的研究,现在在解决这一谜题方面迈出了重大一步。他们分析了一个包含超过 27 亿个特定粲偶素粒子 ψ(3686) 衰变为一对带电 π 介子(pions)和一个 η 粒子的海量数据集。这是一种罕见的事件,为了找到它,团队必须从浩如烟海的其他粒子相互作用中进行筛选。他们将搜索重点放在了一个已知粒子 ρ 介子(rho meson)预计会出现的特定能量范围内。通过重建碰撞产生的粒子的路径和能量,他们能够将信号从背景噪声中分离出来。数据集的巨大规模使他们能够进行详细的部分波分析(partial wave analysis),这是一种能够解构衰变不同发生方式的复杂统计方法。这种方法不仅揭示了预期的衰变路径,还发现了一个此前未被观测到的过程。
该研究以高精度证实了 ψ(3686) 衰变为 ρ 介子和一个 η 粒子的过程,测得其频率约为 1.34×10−5。更重要的是,研究人员首次观察到了一种新的衰变模式:ψ(3686) 转化为 a2 介子和一个 π 介子。这一发现具有极高的置信度,远超粒子物理学中声称发现新观测结果所需的阈值。团队还测量了这些衰变率在碰撞能量略高于或低于共振峰时是如何变化的。这使得他们能够将粲偶素粒子的直接衰变与即使在没有共振情况下也会发生的连续粒子产生背景区分开来,这是获得准确测量值的关键步骤。
拥有这些精确测量数据后,团队将注意力转向了 η 和 η′ 粒子的混合角。通过将他们刚刚测量的 ρ-η 衰变率与之前测量的涉及 η′ 的类似衰变进行比较,他们计算出了混合角。分析得出了两个可能的角度值:大约为 $-11.2度或-19.4$ 度。这两个结果都与来自格点量子色动力学(一种利用超级计算机计算粒子属性的方法)的理论预测吻合良好。尽管这两个解存在差异,但两者都符合已知的物理定律,并且比之前的实验提供了更紧密的混合角约束。这项工作不仅仅是精炼了一个数字;它证实了一个新衰变路径的存在,并展示了不同量子态之间的相互作用如何塑造物质在最基本层面的行为。这些发现为强相互作用如何运作以及宇宙的构建模块是如何排列的提供了更清晰的图景。
技术摘要:ψ(3686)→π+π−η 测量的改进
问题与动机
粲偶素态 ψ(3686) 是研究非摄动量子色动力学(QCD)的关键实验室。其向矢量-伪标量(VP)介子对的衰变是探测强相互作用动力学的敏感探针,包括强子跃迁、可能的胶球混合以及 SU(3) 味道对称性破缺。具体而言,同位旋破缺衰变 ψ(3686)→ρ(770)0η 和 ψ(3686)→ρ(770)0η′ 为确定 η-η′ 伪标量混合角 θP 提供了一个独特的窗口。此前由 BES 和 CLEO 实验进行的 ψ(3686)→ρ(770)0η 测量存在较大的统计不确定性,限制了导出混合角的精度以及对 SU(3) 对称性破缺的理解。此外,ψ(3686)→a2(1320)±π∓ 在该能量区域尚未被观测到。本研究旨在利用 BESIII 探测器收集的世界最大的 ψ(3686) 数据样本来改进这些过程的测量,从而实现分支比的精确测定并提取混合角 θP。
方法论
分析使用了在峰值能量下收集的 (2712.4±14.3)×106 个 ψ(3686) 事件样本,以及来自共振峰附近 11 个能量扫描点的共振数据,总积分亮度约为 5.185 fb−1。
- 事件选择: 选取满足 e+e−→π+π−η 且 η→γγ 的候选事件,要求恰有两个相反电荷的轨道和至少两个光子候选。在 e+e−→π+π−γγ 假设下应用四约束(4C)运动学拟合。π+π− 不变质量被限制在 ρ(770)0 质量区域 [0.3,2.2] GeV/c2 内。背景主要来自 ψ(3686)→π+π−ηγ,通过包含性蒙特卡洛(MC)样本和 γγ 不变质量分布的侧带区域进行估计。
- 部分波分析 (PWA): 在 15,910 个候选事件上进行 PWA,使用 FDC-PWA 框架内的协变张量振幅形式。拟合包括中间态如 ρ(770)0、ρ3(1690)0、a2(1320)±、a2(1700)± 以及非共振成分。每个成分的统计显著性通过包含或移除该成分时负对数似然(−lnL)的变化来评估。
- 截面线形拟合: 为了在考虑连续贡献的情况下提取分支比,对观测到的截面线形进行拟合。Born 截面被建模为连续振幅与 ψ(3686) 共振振幅的相干叠加,并结合了初态辐射(ISR)、真空极化和束流能量展宽。拟合包含一个用于处理相关系统误差的伴随参数。
- 混合角提取: 通过比较 ψ(3686)→ρ(770)0η 和 ψ(3686)→ρ(770)0η′(使用 BESIII 测得的后者)的归一化分支比来确定 η-η′ 混合角 θP,关系式为 RP=tan2(θI−θP),其中 θI=35.3∘ 是理想混合角。
主要贡献与结果
- 分支比: ψ(3686)→ρ(770)0η 的分支比确定为 (1.34±0.03±0.13)×10−5。这一结果相比以往的测量实现了改进,显著降低了不确定性。
- 首次观测: 首次观测到衰变 ψ(3686)→a2(1320)±π∓,统计显著性为 35.7σ。其部分分支比测量值为 (2.13±0.05±0.32)×10−5。
- 混合角: 找到了 η-η′ 混合角 θP 的两个解:
- θP=(−11.2±1.6±3.6)∘
- θP=(−19.4±3.1±5.7)∘
两个解均在 1σ 范围内与格点 QCD 计算结果一致。
- 截面测量: 测量了能量扫描过程中观测到的 e+e−→π+π−η 截面线形,从而可以估计连续贡献及其与 ψ(3686) 共振态的干涉。
意义
论文声称这些结果为 η-η′ 混合角提供了改进的约束,为伪标量介子混合的研究提供了额外的输入。对 ψ(3686)→a2(1320)±π∓ 的首次观测扩展了对 ψ(3686) 向 VP 对衰变动力学的理解。对 ρ(770)0η 通道的精确测量,结合 ρ(770)0η′ 数据,有助于阐明同位旋破缺机制和 SU(3) 味道对称性破缺在粲偶素衰变中的相对贡献。结果与之前的实验测定(特别是解 B 与 DM2、MARKIII、KLOE 以及 BESII/BESIII 的结果一致)以及理论预期(来自格点 QCD)相符。
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 高能实验 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。