CC BY
5
УДК 539.126.4
ИЗУЧЕНИЕ Xci(3872) СОСТОЯНИЯ В РАСПАДАХ ПРЕЛЕСТНЫХ АДРОНОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ LHCb
Д. Ю. Перейма, В. Ю. Егорычев, И. М. Беляев
Представлены первое обнаружение распада Л0 ^ Xc1(3872)pK- и результаты прецизионных измерений параметров хс1 (3872) состояния в распадах B+ ^ Хс1(3872)К + . Измерены относительные вероятности распадов Л0 ^ хс1(3872)рК- и Л0 ^ ф(2Б)pK-, а также B + ^ Xci(3872)K+ и B + ^ ф(2Б)К+. С высокой точностью определена масса состояния хс1 (3872) и впервые измерена естественная ширина частицы. Работа выполнена с использованием данных, набранных детектором LHCb в протон-протонных столкновениях при энергиях в системе центра масс 7, 8 и 13 ТэВ.
Ключевые слова: прелестные адроны, спектроскопия, чармониевый резонанс.
Введение. Рекордные энергии протон-протонных столкновений на Большом адрон-ном коллайдере (БАК), а также высокое поперечное сечение рождения b кварков предоставляют доступ к изучению всего спектра прелестных адронов, т. е. адронов, содержащих b кварк. Эксперимент LHCb [1] является одним из четырех основных детекторов на БАК. Основным предназначением установки является поиск косвенных проявлений физики за пределами Стандартной модели через изучение нарушения CP симметрии в распадах частиц, содержащих тяжелые b и c кварки. Помимо этого, физическая программа эксперимента также нацелена на измерение углов треугольников унитарности, поиск редких распадов прелестных адронов, изучение их свойств, а также обнаружение новых частиц. Изучение прелестных адронов представляет особый интерес для экспериментальной физики высоких энергий. Преимущества эксперимента LHCb позволяют проводить такие исследования. Для исследований, представленных в статье, используются различные выборки данных, набранные в периоды между 2011 и 2018 годами при энергиях протон-протонных столкновений в системе центра масс 7, 8 и 13 ТэВ.
НИЦ "Курчатовский институт" - ИТЭФ, 117218 Россия, Москва, ул. Большая Черемушкинская, 25; e-mail: Dmitrii.Pereima@cern.ch.
Рис. 1: Проекции двумерного распределения по инвариантной массе комбинаций 31гфп+п-,рК- (слева) и 3!гфп+п- (справа) для отобранных Л0 ^ хс1(3872)рК- кандидатов. Компоненты модели подгонки отображены на рисунке.
Обнаружение распада Л0 ^ Xci(3872)pK-. Состояние Xci(3872), также известное как X (3872), было обнаружено экспериментом Belle в 2003 г. [2]. Это открытие привело к новому витку исследований в области спектроскопии чармония, т. к. это было первое наблюдение неожиданного чармониевого кандидата, которое плохо описывается как обычное состояние в системе кваркония. Такие состояния называют чармониеподобны-ми. Впоследствии наблюдение состояния xc1(3872) было подтверждено рядом других экспериментов. Однако, несмотря на значительный объем экспериментальной информации, природа состояния xc1(3872) (как и прочих чармониеподобных состояний) по-прежнему неоднозначна. Для теоретической интерпретации состояния xc1(3872) было предложено несколько моделей, таких как стандартное состояние чармония xc1(2P) [3], связанное состояние D*°D° мезонов [4-6] или смешанные состояния [7, 8].
До настоящего времени xc1(3872) мезон не наблюдался в распадах прелестных бари-онов, поэтому поиск таких распадов является актуальной задачей современной физики высоких энергий. Важная информация о природе состояния xc1(3872) может быть получена из исследований этой частицы в распадах Л0 барионов, путем сравнения вероятностей таких распадов относительно других, содержащих стандартный чармоний в конечном состоянии. Используя данные, набранные детектором LHCb в протон-протонных столкновениях при энергиях в системе центра масс 7, 8 и 13 ТэВ и соответствующих интегральной светимости 4.9 фб-1, впервые обнаружен распад Л0 ^ xc1(3872)pK-. При
этом распад Л0 ^ ф(2Б)рК- используется в качестве нормировочного канала. Для каждой моды распада хс1(3872) и ф(2Б) мезоны реконструировались с использованием конечного состояния J/фп+п-. При этом З/ф мезон восстанавливался по моде распада на мюонную пару с зарядами противоположного знака. Проекции двумерной подгонки гауссианами и фоновыми функциями распределений кандидатов по инвариантной массе З /фп+п-рК- и З/фп+п- комбинаций вокруг известных диапазонов масс Л0 бариона и Хс1(3872) мезона представлены на рис. 1. Числа сигнальных событий для распадов Л0 ^ Хс1(3872)рК- и Л0 ^ ф(2Б)рК-, полученные из подгонки, составляют 55 ± 11 и 610 ± 30, где погрешность является статистической. Статистическая значимость сигнала Л0 ^ хс1(3872)рК- оказалась равной 7.2 стандартных отклонения. Измеренное отношение вероятностей распадов Л0 ^ хс1(3872)рК- и Л0 ^ ф(2Б)рК- составило:
В(Л0 ^ Хс1(3872)рК-) В(хС1(3872) ^ З/фп+п-)
-2
В(Л0 ^ ф(2Б)рК-) Х В(ф(2Б) ^ З/фп+п-) = (5-4 ± 1-1 ± 0-2) Х 10 '
первая погрешность является статистической, а вторая - систематической. Полученный результат сравним с аналогичными измерениями в системах нейтральных и заряженных В мезонов [9]. Также было обнаружено, что распад Л0 ^ хс1(3872)рК- преимущественно проходит через двухчастичное промежуточное состояние хс1(3872)Л(1520) с долей событий (58 ± 15)%, где погрешность является статистической [10].
Измерение параметров хс1(3872) состояния в распадах В + ^ хс1(3872)К +. Важными аспектами в понимании природы состояния хс1(3872), помимо поиска и изучения новых мод распада, включающих в себя хс1(3872) резонанс, также является точное определение параметров частицы. Величина массы и естественной ширины играют ключевую роль в верной интерпретации состояния хс1(3872). Колоссальная статистика распадов В+ ^ З/фп+п-К + в эксперименте ЬИСЬ открывает широкие возможности для определения параметров состояния хс1(3872) с беспрецедентной точностью. Используя данные распадов В+ ^ З/фп+п-К + , З/ф ^ , набранные экспериментом ЬИСЬ в протон-протонных столкновениях при энергиях в системе центра масс 7, 8 и 13 ТэВ и соответствующие интегральной светимости 9 фб-1, изучаются свойства хс1(3872) состояния в распадах В + ^ хс1(3872)К +. Наличие в исследуемом образце данных распадов, с участием промежуточного резонанса ф(2Б) ^ З/фп+п-, обеспечивает подходящую выборку для нормировочного канала распада, что позволяет существенно уменьшить вклад систематической погрешности в определении измеряемых параметров.
Проекции двумерной подгонки к распределениям по инвариантной массе З/фп+п-К + и З/фп+п- комбинаций вокруг известных диапазонов масс В+ и хс1(3872)
Рис. 2: Проекции двумерного распределения по инвариантной массе комбинаций З/гфп+п-,рК + (слева) и З/фп+п- (справа) для отобранных В + ^ хс1(3872)К + кандидатов. Компоненты модели подгонки отображены на рисунке.
мезонов представлены на рис. 2. Число сигнальных событий, полученных из подгонки, составило 4230 ± 70 для распада В + ^ хс1(3872)К + и (81.14 ± 0.29) х 103 для распада В+ ^ ф(2Б)К+. Измеренное значение вероятности распада В + ^ ф(3872)К + относительно нормировочного канала составляет:
В(В + ^ Хс1(3872)К+) В(хс1(3872) ^ З/фп+п-)
х
(3.69 ± 0.07 ± 0.06) х 10
-2
В(В + ^ ф(2Б)К+) В(ф(2Б) ^ З/фп+п-)
первая погрешность является статистической, а вторая - систематической [11]. Измеренное отношение в пределах неопределенностей совпадает со значением, полученным из данных, представленных в справочнике свойств элементарных частиц [9], но имеет существенно лучшую точность. Величина массы состояния хс1(3872), измеренная с использованием точного значения массы ф(2Б) мезона [9], оказалась равной:
тХс1(зз72) = 3871.59 ± 0.06 ± 0.03 ± 0.01 МэВ/с2,
где последняя погрешность обусловлена точностью измерения массы ф(2Б) мезона. Измеренная масса [11] в пределах неопределенностей совпадает со среднемировым значением [9], но обладает лучшей точностью. Впервые измерена естественная ширина состояния хс1(3872):
ГХС1(3872) = 0.96-0.19 ± 0.21 МэВ,
где первая погрешность является статистической, а вторая - систематической. Измеренное значение естественной ширины отличается от нуля на 5.5 стандартных отклонений [11]. Также была измерена энергия связи хс1(3872) состояния как Д*0Д0 молекулы:
5Е = 0.12 ± 0.13 МэВ.
На данный момент доминирующий вклад в погрешность величины энергии связи обусловлен точностью измерений массы заряженных и нейтральных каонов [11].
зЗаключение. С использованием данных, набранных детектором ЬИСЬ в протон-протонных столкновениях при энергиях в системе центра масс 7, 8 и 13 ТэВ в периоды между 2011 и 2018 г.г., впервые обнаружен новый распад Л0 ^ хс1 (3872)рК -, что является первым экспериментальным свидетельством наличия состояния хс1(3872) в распадах прелестных барионов. Была измерена вероятность данного распада относительно нормировочного канала Л0 ^ ф(2Б)рК-. Используя значительную статистику распадов В + ^ З/фп+п-К + с точностью выше среднемировой, была измерена масса и впервые определена естественная ширина состояния хс1(3872).
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-32-90086.
ЛИТЕРАТУРА
[1] A. A. Alves Jr. et al. (LHCb collaboration), JINST 3, S08005 (2008). DOI: 10.1088/1748-0221/3/08/s08005.
[2] S.-K. Choi et al. (Belle collaboration), Phys. Rev. Lett. 91, 262001 (2003). DOI: 10.1103/PhysRevLett.91.262001. arXiv:hep-ex/0309032.
[3] N. N. Achasov and E. V. Rogozina, Mod. Phys. Lett. A30, 1550181 (2015). DOI: 10.1142/S0217732315501813. arXiv:1501.03583.
[4] N. A. Tornqvist. Phys. Lett. B590, 209 (2004). DOI: 10.1016/j.physletb.2004.03.077. arXiv:hep-ph/0402237.
[5] E. S. Swanson, Phys. Lett. B588, 189 (2004). DOI: 10.1016/j.physletb.2004.03.033. arXiv:hep-ph/0311229.
[6] C.-Y. Wong, Phys. Rev. C69, 055202 (2004). DOI: 10.1103/PhysRevC.69.055202. arXiv:hep-ph/0311088.
[7] R. D. Matheus, F. S. Navarra, M. Nielsen, and C. M. Zanetti, Phys. Rev. D80, 056002 (2009). DOI: 10.1103/PhysRevD.80.056002. arXiv:0907.2683.
[8] W. Chen et al., Phys. Rev. D88, 045027 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevD.88.045027. arXiv:1305.0244.
[9] M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D98, 030001 (2018). DOI: 10.1103/PhysRevD.98.030001.
[10] R. Aaij et al. (LHCb collaboration), JHEP 09, 028 (2019). DOI: 10.1007/JHEP09(2019)028. arXiv:1907.00954.
[11] R. Aaij et al. (LHCb collaboration), JHEP 08, 123 (2020). DOI: 10.1007/JHEP08(2020)123. arXiv:2005.13422.
Поступила в редакцию 10 сентября 2020 г.
После доработки 2 марта 2021 г. Принята к публикации 3 марта 2021 г.
