CC BY
5
УДК 539.1
________м __«_» л
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИИ А£ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ CMS
С. М. Поликарпов
Используя данные, набранные в эксперименте CMS на БАК в течение 2016-2018 г.г., исследованы прелестные барионы, распадающиеся на Л^п+п-. Существование состояний Ль(5912)0, Ль(5920)0, Ль(6146)0 и Ль(6152)0 подтверждено и измерены их массы.
Ключевые слова: спектроскопия, тяжёлые адроны, БАК.
Введение. Изучение тяжёлых адронов и поиски их возбуждённых состояний, измерения масс и естественных ширин являются актуальными задачами современной физики высоких энергий. Новые результаты в этой области помогают развивать новые теоретические модели сильного взаимодействия, объясняющие механизмы, связывающие кварки друг с другом. В данной работе изложено изучение возбуждённых состояний Л^-бариона, выполненное в эксперименте CMS на БАК, используя данные рр-столкновений с энергией 13 ТэВ.
Отбор событий. Возбуждённые состояния Л^-бариона изучаются в распаде на Л^п+п-, где основное состояние Л^ восстанавливается в трёх каналах распада: Л^ ^ J/фЛ (J/ф ^ Л-), Л° ^ ^(2Я)Л (0(2S) ^ Л-) и Л° ^ ^(2Я)Л (0(2S) ^ J/фп+п-, J/ф ^ Во всех трёх каналах Л-гиперон восстановлен в распаде на протон и пион
противоположного заряда.
Димюонные распады состояний чармония J/ф ^ и 0(2S) ^ восста-
новлены, используя мюоны, которые прошли мягкие требования на идентификацию и имеют поперечный импульс рт > 3 ГэВ. Димюоны комбинируются с кандидатами Л ^ рп- с вершиной распада, значительно удалённой от области рр-столкновений, образуя Л^-кандидаты. Далее используется кинематический фит вершины Л^, в котором требуется, чтобы масса пары мюонов после фита совпадала с известной массой J/ф или 0(2S). В случае канала 0(2S) ^ J/фп+п-два дополнительных трека также включены в кинематический фит. Для подавления большого комбинаторного фона от частиц, рождённых напрямую в рр-столкновениях, требуется, чтобы восстановленная вершина
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: spolikar@cern.ch.
(БУ) распада Л^ была значительно удалена от первичной вершины рр-взаимодействия (РУ), а импульс Л° был параллелен направлению из РУ в БУ. Восстановленное количество сигнальных событий Л^ в анализируемом наборе данных составляет 39 000, 3400 и 4300 для каналов Л/фЛ, ф(2Б)Л (ф(2Б) ^ ц+цт) и ф(2Б)Л (ф(2Б) ^ З/фп+п-), соответственно.
Кандидаты Л^п+п- получаются комбинированием полученных Л^ кандидатов с парой треков противоположного заряда, исходящих из первичной вершины.
Специальная процедура перефитирования первичной вершины была разработана для улучшения разрешения по инвариантной массе. Вместо суммирования "сырых" 4-импульсов или 4-импульсов из вершинного фита Л^п+п-используется новый подход: все треки, образующие первичную вершину, включая пару треков из Л^п+п--кандидата и "виртуальный трек" Л^-кандидата, фитируются в первичную вершину, для переопределения 4-импульсов пионов и Л^-кандидата. Затем полученные 4-импульсы суммируются для определения массы Л^п+п--кандидата. Такая процедура, как выяснилось при
Рис. 1: Полученное из данных эксперимента CMS распределение кандидатов по шЛоп+п- у кинематического порога [3]. Чёрные точки с погрешностями показывают, данные, толстая сплошная кривая иллюстрирует суммарную функцию аппроксимации, которая является суммой фоновой функции (пунктирная линия) и двух сигнальных функций (тонкие линии).
изучении данных моделирования, существенно улучшает разрешение по массе Л^п+п-: улучшение разрешения составляет вплоть до 50%.
В следующих двух частях описано раздельное изучение массы Л^п+п- вблизи порога (до 5.95 ГэВ) и в диапазоне более высоких масс (до 6.4 ГэВ).
Распределение тЛо_+_- вблизи порога. Рис. 1 показывает восстановленное распре-
b
деление массы Л^п+п- вблизи кинематического порога. Два явных узких пика, обнаруженные в распределении, соответствуют сигналам состояний Ль(5912)0 и Ль(5920)0, обнаруженных ранее коллаборациями LHCb [1] и CDF (только Ль(5920)0) [2].
Распределение аппроксимируется суммой двух сигнальных функций (двойные функции Гаусса с общим средним, свободным при аппроксимации, и параметрами формы, фиксированными к найденным в моделировании) и фоновой пороговой функции. С помощью аппроксимации измеряются массы возбуждённых состояний Ль(5912)0 и Ль(5920)0, а также вычисляется значимость сигналов, которая составила 5.7а и более 6а [3], соответственно. Это соответствует первому подтверждению со значимостью > 5а обоих состояний Ль(5912)0 и Ль(5920)0.
Рис. 2: Полученное из данных эксперимента CMS распределение кандидатов по тлоП+П- между 5.95 и 6.4 ГэВ, в сравнении с распределением ложного знака, которое получено комбинированием кандидатов Л^ с двумя треками одного заряда [3].
Распределение тлоп+п- от 5.95 до 6.4 ГэВ. На рис. 2 представлено распределение
ь
кандидатов по инвариантной массе ЛЬп+п-, на которое наложено распределение ложного знака, в диапазоне 5.95 - 6.4 ГэВ. Распределение ложного знака получено комбинированием Л^-кандидата с двумя пионами одинакового заряда. Наглядно видна существенная разница между распределениями, в частности, широкий пик между 6.0 и 6.1 ГэВ и отчётливый узкий пик около 6.15 ГэВ. Второй пик согласуется с наложенными друг на друга сигналами от распадов Ль(6146)0 и Ль(6152)0, недавно обнаруженными коллаборацией ЬИСЬ [4].
Рис. 3: Полученное из тех же данных распределение кандидатов по тЛоп+п- между 5.95 и 6.4 ГэВ (чёрные точки) с результатами аппроксимации: толстая сплошная линия показывает суммарную функцию аппроксимации, которая является суммой фона (пунктирная линия) и трёх сигнальных вкладов (тонкие линии) [3].
Полученное распределение моделируется суммой трёх сигнальных функций для описания двух узких пиков около 5.16 ГэВ и широкого резонанса, и пороговой функции для описания фона. Сигнальные компоненты - функции Брейта-Вигнера (естественные ширины Ль(6146)0 и Ль(6152)0 фиксированы к значениям, полученным ЬИСЬ), свёрнутые с функциями разрешения. Результаты аппроксимации показаны на рис. 3. Измеренные массы состояний Ль(6146)0, Ль(6152)0 и широкого пика составляют, соответственно, 6146.5 ± 1.9 МэВ, 6152.7 ± 1.1 МэВ и 6073 ± 5 МэВ, где погрешности - только статисти-
ческие [3]. Естественная ширина функции Брейта-Вигнера широкого резонанса равна 55 ± 11 МэВ. Ограниченные разрешение по массе и набор данных не позволяют разделить сигналы Ль(6146)0 и Ль(6152)0, не фиксируя их естественные ширины, однако вычисленная значимость сигнала около 6.15 ГэВ составляет более 5 стандартных отклонений. Статистическая значимость широкого резонанса равна 4а. В распределении
тлоп+п- также наблюдается небольшой пик около 6240МэВ, однако его значимость
b
составляет менее 2а.
Эти результаты являются первым подтверждением существования состояний Ль(6146)0 и Ль(6152)0, а также первым свидетельством существования широкого резонанса, распадающегося на Л^п+п-, с массой около 6070 МэВ и шириной порядка 50 МэВ.
Систематические погрешности. Исследовано несколько источников систематических погрешностей для измеряемых масс. Они включают в себя выбор функции для описания сигналов и фона, а также возможную разницу в разрешении по массе между данными и моделированием. Погрешность, связанная с возможной неточностью в юстировке детектора, считается пренебрежимо малой. Для состояний Ль(6146)0 и Ль(6152)0, дополнительные погрешности оцениваются исключением из аппроксимации области широкого резонанса и варьированием естественных ширин в пределах погрешностей, приведённых в работе коллаборации LHCb [4].
Итоговые систематические погрешности составляют 9 кэВ, 11 кэВ, 0.77 МэВ и 0.41 МэВ для масс состояний Ль(5912)0, Ль(5920)0, Ль(6146)0 и Ль(6152)0, соответственно [3].
Результаты. Используя данные pp-столкновений с у/в = 13 ТэВ, набранные в эксперименте CMS на БАК в 2016-2018 г.г., исследованы возбуждённые состояния Л£-бариона, распадающиеся на Л^п+п-.
Показано существование четырёх возбуждённых состояний и измерены их массы [3]:
M(Ль(5912)0) = 5912.32 ± 0.12 (стат.) ± 0.01 (сист.) ± 0.17(Л£) МэВ, M(Ль(5920)0) = 5920.16 ± 0.07 (стат.) ± 0.01 (сист.) ± 0.17(Л£) МэВ, M(Ль(6146)0) = 6146.5 ± 1.9 (стат.) ± 0.8 (сист.) ± 0.2(Л£) МэВ, M(Ль(6152)0) = 6152.7 ± 1.1 (стат.) ± 0.4 (сист.) ± 0.2(Л£) МэВ,
где последние погрешности связаны с неточностью среднемирового значения массы Л^. В дополнение, в распределении массы Л^п+п- обнаружен широкий пик, согласующийся с Брейт-Вигнеровским резонансом с массой 6073 ± 5 МэВ и естественной шириной
55 ± 11 МэВ, где погрешности - только статистические [3]. Полученные значения масс согласуются с измерениями коллабораций LHCb [1] и CDF [2].
Эти результаты демонстрируют возможность изучать спектроскопию тяжёлых ад-ронов на установке CMS, которая изначально не была оптимизирована под исследования в этой области. Полученные результаты будут использованы для улучшения точности среднемировых значений масс прелестных барионов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение № 14.W03.31.0026.
ЛИТЕРАТУРА
[1] R. Aaij et al., (LHCb Collaboration), Phys. Rev. Lett. 109, 172003 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.172003.
[2] T. Aaltonen et al., (CDF Collaboration), Phys. Rev. D. 88, 071101 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevD.88.071101.
[3] A. M. Sirunyan et al., (CMS Collaboration), Phys. Lett. B 803, 135345 (2020). DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135345.
[4] R. Aaij et al., (LHCb Collaboration), Phys. Rev. Lett. 123, 152001 (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.152001.
Поступила в редакцию 12 ноября 2020 г.
После доработки 21 ноября 2020 г. Принята к публикации 23 ноября 2020 г.
Публикуется по рекомендации Московской международной школы физики-2020 (ФИАН, Москва).
