ИЗУЧЕНИЕ НОВЫХ РАСПАДОВ B+С МЕЗОНОВ С ЧАРМОНИЕМ И ЛЕГКИМИ АДРОНАМИ В КОНЕЧНОМ СОСТОЯНИИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.126.4

ИЗУЧЕНИЕ НОВЫХ РАСПАДОВ B+ МЕЗОНОВ С ЧАРМОНИЕМ И ЛЕГКИМИ АДРОНАМИ В КОНЕЧНОМ СОСТОЯНИИ

А. В. Егорычев, Д. Ю. Перейма

В статье представлены результаты поиска новых распадов B+ мезонов с чармонием и легкими адронами в конечном состоянии. Измерены относительные вероятности изучаемых процессов. Исследованы вклады промежуточных резонансов в системах легких адронов. Выполнено сравнение экспериментальных данных с теоретическими предсказаниями. Анализ выполнен с использованием данных, набранных экспериментом LHCb в протон-протонных столкновениях, при энергиях в системе центра масс 7, 8 и 13 ТэВ в период с 2011 по 2018 г.г.

Ключевые слова: прелестные адроны, спектроскопия, чармониевый резонанс, парциальные ширины, B+ мезон.

Введение. Уникальное состояние, состоящее из двух тяжелых кварков разных ароматов (bc кварки), B+ мезон имеет обширный набор возможных каналов распада. Такая система распадается через механизм слабого взаимодействия, когда один из кварков осуществляет распад, а второй является кварком-спектратором, либо происходит процесс аннигиляции двух кварков с участием виртуального W + бозона. Несмотря на то, что B+ мезон был открыт более 20 лет назад в эксперименте CDF [1, 2], до начала экспериментов на БАК было обнаружено лишь несколько мод распада этого состояния [3]. Эксперименты на Большом Адронном Коллайдере (БАК) ознаменовали новую эру для исследований B+ мезонов, которые были недоступны в предыдущем поколении экспериментов на электрон-позитронных машинах. Высокое сечение рождения b кварков на ускорителе БАК позволяет изучать различные свойства этой частицы. Наиболее значимую роль в исследованиях в области спектроскопии прелестных и очарованных адронов на ускорителе БАК играет эксперимент LHCb, который на данный момент

НИЦ "Курчатовский институт" ККТЭФ, 117218 Россия, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25; email: Dmitrii.Pereima@cern.ch.

является уникальной лабораторией, позволяющей исследовать весь спектр прелестных адронов и их возбужденные состояния, включая тяжелый кварконий - В+ мезон.

Изучаемые распады В+ мезона на чармоний и легкие адроны могут быть описаны с использованием подхода факторизации квантовой хромодинамики [4, 5], который характеризуется с помощью формфактора перехода В+ ^ З/фШ + [6, 7] и универсальной спектральной функции виртуального Ш + бозона, распадающегося на легкие адроны [8, 9]. Феноменологическая модель, предложенная отечественными теоретиками А. В. Бережным, А. К. Лиходедом и А. В. Лучинским (модель БЬЬ), основанная на этом подходе [8-13], с хорошей точностью предсказывает значения парциальных ширин ранее обнаруженных распадов В+ мезонов [8, 9, 11, 12] и основные вклады резонансных структур в системах легких адронов. Поиски новых распадов В+ мезонов с чармонием и легкими адронами в конечном состоянии позволят более точно проверить гипотезу о факторизации, используемую при описании изучаемых процессов. Исследование, представленное в статье, посвящено изучению распадов типа В± ^ фпК± (где символом ф обозначено состояние чармония (З/ф,ф(2Б) мезоны), п = 3, 5 или 7 - количество легких адронов (К) в конечном состоянии). Восстановление ф мезонов выполнялось с использованием следующих мод распада З/ф ^ , ф(2Б) ^ ф(2Б) ^ З/фп+п-. Работа вы-

полнена с использованием данных, набранных экспериментом ЬИСЬ в периоды между 2011 и 2018 годами, при энергиях протон-протонных столкновений в системе центра масс 7, 8 и 13 ТэВ.

Изучение новых распадов В+ мезонов на чармоний и три легких адрона. В этом разделе представлены результаты исследований следующих распадов: В+ ^ ф(2Б)п+п-п+, В+ ^ З/фК+п-п+, В+ ^ ф(2Б)К+К-п+ и В+ ^ З/фК+К-К +. Были измерены вероятности изучаемых процессов относительно нормировочных каналов с большой статистикой: В+ ^ З/фп+п-п+ и В+ ^ З/фК+К-п+. Также исследовались вклады промежуточных резонансов в системах легких адронов. Выходы сигналов для изучаемых процессов определялись из одновременной подгонки распределений по инвариантной массе для всех отобранных В+ кандидатов. Модель аппроксимации данных состоит из двух компонентов: сигнал и фон для каждого изучаемого процесса. Сигнальный компонент в модели аппроксимации описывался модифицированной функцией Гаусса [14]. Фоновый компонент моделировался с помощью линейной функции. В модели для описания спектра по инвариантной массе от распада В+ ^ З/фК+п-п+ использовалось два дополнительных компонента, которые учитывают вклады от распадов В+ ^ З/фК+К-п+ и В+ ^ З/фп+п-п+, когда каон был неверно идентифицирован

как пион или наоборот. Функции, используемые для моделирования таких вкладов, получены из данных математического моделирования. Распределения по инвариантной массе для новых распадов В± ^ ф?^±, совместно с наложенной функцией подгонки, показаны на рис. 1. Выходы сигналов и их статистические значимости в величинах стандартных отклонений (а) приведены в табл. 1.

Таблица 1

Выход сигнала и статистическая значимость (3) в единицах стандартных отклонений, оцененная из аппроксимации экспериментальных данных для новых распадов В± ^ ф?Л±. Учитывались только статистические погрешности

Канал Выход сигнала 3 [а]

В+ ^ З/фК+К-К+ 4? ± 10 5.2

В+ ^ З/фК+п-п+ 148 ± 22 7.8

В+ ^ ф(2£)п+п-п+ 49 ± 11 5.8

В+ ^ ф(2£)К+К-п+ 19 ± 6 3.7

Распределение количества распадов В+ ^ З/фК+К- по инвариантной массе комбинаций К-п+ и К+К- после применения процедуры вычитания комбинаторного фона [15] показано на рис. 2. Согласно предсказаниям модели БЬЬ, данный процесс должен происходить с доминирующим вкладом от распадов К*0 состояний. В то время как распады с участием промежуточных ф(1020) мезонов должны быть сильно подавлены в соответствии с правилом Окубо-Цвейга-Изуки [16-18]. Для проверки теоретических предсказаний была произведена аппроксимация соответствующих распределений. Подгонка выполнялась с использованием модели, содержащей два компонента: компонент, описывающий распады, проходящие с участием промежуточных резонансов К^ К-п+ или ф(1020) ^ К+К- и компонент, моделирующий распады без вклада резонансных структур в системах К-п+ и К+К-. Первый компонент модели параметризовывался с использованием функции Брейта-Вигнера в Р-волне. Второй компонент описывался с помощью функции двухчастичного фазового объема в четырехчастичном распадеВ+ мезона. Фундаментальным параметрам К*° и ф(1020) состояний (массам и ширинам) присваивались значения, взятые из справочника свойств элементарных частиц [3]. Из подгонки было установлено, что (64.5 ± 4.7+3'")% распадов В+ ^ З/фК+К-п+ проходят с участием промежуточных К*° состояний. В то же время вклад от ф(1020) мезонов оказался незначительным. Верхний предел на долю распадов с участием ф(1020) состояний составил менее 4.2 (4.8)% на 90 (95)% уровне до-

Рис. 1: Распределения по инвариантной массе для отобранных В± ^ ф3К± кандидатов

стоверности. Оба результата представлены с учетом статистических и систематических неопределенностей. Каждое наблюдение подтверждает предсказания модели БЬЬ [12] и результаты предыдущего исследования эксперимента ЬНСЬ [19].

Аналогичная аппроксимация была выполнена для оценки вкладов от промежуточных резонансов К*0 ^ К+п- и ф(1020) ^ К+К- в распадах В+ ^ З/фК+п-п+ и В+ ^ З/фК+К- К + , соответственно. Распределения по инвариантной массе изученных систем совместно с наложенной функцией подгонки представлены на рис. 3. Доли распадов, проходящих с участием Ки ф(1020) состояний составили (61.3 ± 5.0 + 3)% и (90 ± 19 + 0)%, где первая погрешность - статистическая, а вторая - систематическая. Полученные результаты находятся в согласии с предсказаниями модели БЬЬ [12]. Были

Ь 500

СГ)

о

ю

се И

Ч се я

Рч

к О

400

300

200

100

I I , 1 I I + 1... 1,... 1,.. 111.11 данные

: Ш В+-» ЩК+К*0

— В+ ^ Щ К+К-тг+

1 — подгонка

: |

г А

- * 1 - м ■ 1

0

0.60 0.95

1.30 1.65 2.00 2.35 тк~ 7г+, ГэВ/с2

"Ъ 30 2 25

^ 20 15

се к

ч

Й 10 Еч

к 5 О

о

-5

2.70

-10

0.98

1 1 1 1 I 1 1 1 1 I 1 1 1 1 I 1

данные □ В+->Уфф(1020)тг+

__ЩК+К-ТТ+

— подгонка

ш

*

1.03 1.08 1.13 1.18 т.к+к- , ГэВ/с2

1.23

Рис. 2: Распределения по инвариантной массе системы К-п+ (слева) и К+К- (справа) для отобранных В+ ^ З/фК+К-п+ кандидатов после процедуры вычитания комбинаторного фона.

Ъ 110

90

СГ)

о

ю

се к

ч се я и к О

70 50 30 10

1 1 1 1 I 1 1 1 1 I 1 1 1 1 I 1 1

данные

__ЩК+1Т--к+

подгонка

-101 0.60

. . . . I ■ I .... I ... .

л

1.05 1.50 1.95 2.40 ™>К+7Г-, ГэВ/с2

о 30

ЗГ

25

се и

ч се к

Рч

к

о

20 15

10

5 0 -5

т-1-'-1-'-1-1-1-1—:

-4- данные

□ Щф{\Ш)К+\ __з/фк+к-к+-

\_ подгонка

±

4=-+

_1_

2.85

1

1.02

1.04

ГПк+К-

1.06 1.08

, ГэВ/с2

Рис. 3: Распределения по инвариантной массе системы К+п- (слева) и К+К- (справа) для отобранных В+ ^ З/фК+п-п+ и В+ ^ З/фК+К-К+ кандидатов после процедуры вычитания комбинаторного фона.

измерены шесть отношений парциальных ширин между изученными каналами:

^/ФК+К-К+ = (7.0 ± 1.8 ± 0.2) х 10-

1-2

"J/фK +К-п+

Л:К-П++ = 0.35 ± 0.06 ± 0.01,

^ККККТ = (3.7 ± 1.2 ± 0.1) X 10-2, К^^К? = (1.9 ± 0.4 ± 0.1) X 10-2

7г

п+ = (3.5 ± 0.6 ± 0.2) X 10-2, = (18.5 ± 1.3 ± 0.6) X 10-2,

где первая погрешность - статистическая, а вторая - систематическая. Измеренные значения находятся в согласии с теоретическими предсказаниями, предыдущими измерениями эксперимента ЬИСЬ и аналогичными исследованиями в системах заряженных и нейтральных В-мезонов. Более детально с исследованием можно ознакомиться в работе [20].

Изучение новых распадов ВС мезонов на чармоний и многочастичные адронные состояния. Дополнительные исследования распадов В+ мезонов на чармоний и многочастичные адронные состояния предоставляют значимую информацию для проверки гипотезы о факторизации. В частности, в эксперименте ЬИСЬ недавно исследовались следующие конечные состояния: В+ ^ +К-п+п-п+ и В+ ^ //-04п+3п-[21]. В качестве нормировочной моды использовался ранее наблюдаемый канал распада В+ ^ //-03п+2п-. Распределения по инвариантной массе для числа отобранных В+ кандидатов показаны на рис. 4. Выходы сигналов составили 69 ± 11 и 16 ± 5 (погрешности только статистические) для каналов В+ ^ //^К+К-п+п-п+ и В+ ^ //-04п+3п-. Значимость сигналов с учетом систематических неопределённостей составила 9.0а и 4.7а, соответственно.

Аналогично предыдущему исследованию в распаде В+ ^ //^К+К-п+п-п+ изучались вклады промежуточных резонансов в системах К±п^ и К+К-. В канале В+ ^ //^4п+3п- подобные измерения не проводились ввиду малой статистики. Исследованные распределения представлены на рис. 5. Как видно из подгонки, аппроксимация с добавлением вклада от промежуточных К*0 и К*0 состояний (которые предсказываются моделью ВЬЬ [13]) качественно описывает данные. В распределении по инвариантной массе системы К+К- значимые вклады от промежуточных ф(1020) мезонов не наблюдаются. В то же время данные находятся в хорошем согласии с предсказаниями модели ВЬЬ. Аналогичные эффекты наблюдались в канале В+ ^ //^К+К-п+ (см. рис. 2). Измеренные относительные вероятности изучаемых процессов составили

^Г+КК^К П+ = (33.7 ± 5.7 ± 1.6) X 10-2, ^31+ 3П К = (28.5 ± 8.7 ± 2.0) X 10-2,

Рис. 4: Распределения по инвариантной массе для отобранных ВС //^К+К-п+п-п+ (слева) и ВС ^ //^4п+3п- (справа) кандидатов.

где первая погрешность статистическая, а вторая - систематическая. Более подробно с результатами исследования можно ознакомиться в работе [21].

Рис. 5: Распределения по инвариантной массе системы К±пТ (слева) и КСК- (справа) для отобранных ВС ^ Т/^КСК-пСп-пС кандидатов после процедуры вычитания комбинаторного фона.

зЗаключение. С использованием данных, набранных экспериментом ЬИСЬ в протон-протонных столкновениях, при энергиях в системе центра масс 7, 8 и 13 ТэВ в период с 2011 по 2018 г.г., были изучены новые распады В± ^ Впервые обна-

ружены следующие каналы распада: В+ ^ -0(2£)п+п-п+, В+ ^ //^К+п-п+, В+ ^ //^КСК-КС, В+ ^ //^КСК-пСп-пС. Получено первое экспериментальное свидетельство существования распадов В+ ^ "0(2$)КСК-пС и В+ ^ //^4п+3п-. Измерены относительные вероятности изучаемых распадов и исследованы вклады резонансных структур в системах легких адронов. Полученные результаты согласуются с теоретическими предсказаниями [20, 21].

Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых и по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации. Номер гранта: МК-894.2022.1.2.

ЛИТЕРАТУРА

[1] F. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 81, 2432 (1998). DOI: 10.1103/PhysRevLett.81.2432.

[2] F. Abe et al., Phys. Rev. D 58, 112004 (1998). DOI: 10.1103/PhysRevD.58.112004.

[3] P. A. Zyla et al., Prog. Theor. Exp. Phys. 2020, 083C01 (2020). DOI: 10.1093/ptep/ ptac097and 2022 update.

[4] M. Bauer, B. Stech, M. Wirbel, Z. Phys. C 34, 103 (1987). DOI: 10.1007/BF01561122.

[5] M. Wirbel, Prog. Part. Nucl. Phys. 21, 33 (1988). DOI: 10.1016/0146-6410(88)90031-2.

[6] S. S. Gershtein, V. V. Kiselev, A. K. Likhoded, et al., Phys. Usp. 38, 1 (1995). DOI: 10.1070/PU1995v038n01ABEH000063.

[7] V. V. Kiselev, A. E. Kovalsky, A. K. Likhoded, Nucl. Phys. B 585, 353 (2000). DOI: 10.1016/S0550-3213(00)00386-2.

[8] A. K. Likhoded, A. V. Luchinsky, Phys. Rev. D 81, 014015 (2010). DOI: 10.1103/PhysRevD.81.014015.

[9] A. K. Likhoded, A. V. Luchinsky, Phys. Atom. Nucl. 76, 787 (2013). DOI: 10.1134/S1063778813050062.

[10] A. V. Berezhnoy, A. K. Likhoded, A. V. Luchinsky, PoS QFTHEP2011, 076 (2012). DOI: 10.22323/1.138.0076.

[11] A. V. Luchinsky, Phys. Rev. D 86, 074024 (2012). DOI: 10.1103/ PhysRevD.86.074024.

[12] A. V. Luchinsky, Preprint (2013). arxiv.org/abs/1307.0953v2.

[13] A. V. Luchinsky, Phys. Lett. B 832, 137269 (2022). DOI: 10.1016/j.physletb.2022.137269.

[14] T. Skwarnicki, Study of the radiative cascade transitions between the Y' and Y resonances (PhD Thesis, Institute of Nuclear Physics, Krakow, 1986).

[15] M. Pivk, F. R. Le Diberder, Nucl. Instrum. Meth. A 555, 356 (2005). DOI: 10.1016/ j.nima.2005.08.106.

[16] S. Okubo, Phys. Lett. 5, 165 (1963). DOI: 10.1016/S0375-9601(63)92548-9.

[17] G. Zweig, An model for strong interaction symmetry and its breaking; Version 2 (PhD Thesis, CERN, Geneva, 1964).

[18] J. Iizuka, Suppl. Prog. Theor. Phys. 37, 21 (1966). DOI: 10.1143/PTPS.37.21.

[19] R. Aaij et al., JHEP 11, 094 (2013). DOI: 10.1007/JHEP11(2013)094.

[20] R. Aaij et al., JHEP 01, 065 (2022). DOI: 10.1007/JHEP01(2022)065.

[21] R. Aaij et al., LHCb collaboration, Submitted to JHEP (2022). arXiv:2208.08660.

Поступила в редакцию 23 декабря 2022 г.

После доработки 3 февраля 2023 г. Принята к публикации 6 февраля 2023 г.

Публикуется по рекомендации оргкомитета Московской международной школы физики 2022 (http://mosphys.ru)