CC BY
7
УДК 539.1
ПОИСК ЭКЗОТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ X(5568) В ЭКСПЕРИМЕНТЕ CMS
С.М. Поликарпов, Р. Н. Чистов
Работа описывает поиск экзотических частиц, распадающихся на B°sn±, проведённый в эксперименте CMS авторами этой статьи.
Ключевые слова: спектроскопия тяжёлых адронов, LHC.
Введение. Поиск и исследование новых прелестных адронов, их возбуждённых состояний, измерение их свойств (масс, ширин, мод распадов и квантовых чисел) предоставляет новые данные для проверки кварковой модели и применимости теоретических подходов, используемых для описания различных аспектов физики тяжёлых кварков. Открытие и изучение экзотических состояний важно для разработки теоретических моделей, описывающих взаимодействия кварков.
В последнее время экспериментами БАК открыто множество новых состояний адронов, включая возбуждённые состояния S±'s-, Л£-, П0- и S^-барионов, Bs-, B+- и B+-мезонов, состояния боттомония Xbi(3P) и Хь2(3Р) и дважды очарованный барион S++. Помимо этого, также появились указании на существование многих частиц, не вписывающихся в классическую кварковую модель адронов, предполагающую существование только мезонов (состояний из кварка и антикварка) и барионов (состояний из трёх кварков). Одним их них является открытая в 2016 г. коллаборацией D0 частица X (5568) -кандидат в экзотическое тетракварковое состояние, распадающееся на B0n±. Коллабо-рация LHCb не подтвердила его существование, а среди теоретических работ есть как объясняющие это состояние, так и подвергающие сомнению его существование.
Данная работа описывает поиск экзотических частиц, распадающихся на B0-^, проведённое в эксперименте CMS авторами этой статьи.
В начале 2016 г. коллаборация D0 заявила [2] об обнаружении нового состояния в системе B0n±, названного X (5568), с измеренной массой и естественной шириной, соответственно, MX = 5567.8 ± 2.9(стат.)+0'9(сист.) МэВ и Гх = 21.9 ± 6.4(стат.)+50(сист.) МэВ.Продукты её распада состоят из 4 разных кварков (b,s,u,d),
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: spolikar@cern.ch
что может быть объяснено молекулярной гипотезой (тесно связанные B0- и K±-мезоны), либо гипотезой о связанном состоянии четырёх кварков (тетракварк). Измеренная масса X(5568) на 200 МэВ ниже порога B0K±, поэтому молекулярная гипотеза маловероятна. Коллаборация D0 также измерила рх - отношение сечений рождения X(5568) и B0, умноженное на неизвестную вероятность распада X(5568) ^ В0п±, в двух кинематических диапазонах [2]: 8.6 ± 2.4% (8.2 ± 3.1%) для pT(B°) > 10(> 15) ГэВ. Это отношение является долей -мезонов, рождающихся из распада X(5568) ^ по отношению ко всем рождающимся в столкновениях В°-мезонам. Полученное колла-борацией D0 значение этой доли, около 10%, - неожиданно высокое. X(5568) представляет собой первый тетракварковый кандидат, в состав которого входят 4 разных кварка. Коллаборация LHCb на БАК первой не подтвердила результат D0, установив верхний предел на рх [3]: pXHCb < 2.4% на 95% уровне достоверности для pT(B°) > 10 ГэВ и pXHCb < 2.0% @ 95% CL для pT(B°) > 15 ГэВ. Эти пределы находятся в противоречии с измерениями D0, хотя и сделаны в других условиях. Затем коллаборация CMS представила свой результат поиска X (5568) [4]: эта работа была выполнена авторами этой статьи. Верхний предел на отношение рх (долю рождающихся из X (5568)), вычисляется с использованием формулы
_ a(pp ^ X(5568) + ...) х B(X(5568) ^ BQn±) _ Nx(5568) (1)
PX " ^(pp ^ B0 +...) _ Nbo х еге1' ()
где Nx(5568) (Nbo) - количество сигнальных событий X(5568) (B°), реконструированных в данных, а ere1 _ 6X(5568)/eB° - относительная эффективность.
Отбор событий. Восстановление кандидатов начинается с поиска двух мюонов противоположного заряда, образующих J/^-кандидат, совпадающих с теми, что вызвали срабатывание триггера. Затем димюонный кандидат комбинируется с двумя треками с инвариантной массой M(K+K-) в области ф-мезона, образуя ^ J/^ф-кандидат. Требуется, чтобы его вершина была удалена от первичной вершины, а импульс был сонаправлен направлению из первичной вершины в восстановленную вершину С использованием аппроксимации распределения инвариантной массы, показанной на рис. 1, вычисляется эффективное разрешение по массе и определяются сигнальный и контрольные диапазоны массы B°.
В работе использованы два набора данных моделирования: сигнальный (для сигнального процесса X(5568) ^ В0п±, где B0 ^ J/-0K+K-) и нормировочный (инклюзивный ^ J/-0K+K-). С использованием первого из них вычисляется разрешение по инвариантной массе
10000
СМ8
8000
> <и
6000
<и
| 4000
-о
с
и
2000
5.2
19.7 ftr1 (8 TeV)
- NBо = 49277+278 + Data
- 11^0 = 5366.54+0.06 MeV М — Fit
а, =8.03+0.18 MeV — Signal
- ст2= 18.6+0.5 MeV — Background
- J = 0.47+0.02
- 1: Л /' \ • Л /
" 1 ' , , , I1 V1 г 1К!
5.3 5.4
M(Jh\iK+K-), GeV
5.5
Рис. 1: Распределение инвариантной массы Б0 ^ 3/фф-кандидатов с результатами аппроксимации. Чёрные точки показывают количество событий в интервале шириной 5 МэВ, толстая сплошная линия иллюстрирует полную аппроксимирующую функцию. Внешние чёрные вертикальные стрелки определяют контрольные интервалы фона вне области массы Б0, а внутренние серые - сигнальную область.
Исследование инвариантной массы Б0п ±. Далее исследуется распределение инвариантной массы отобранных кандидатов Б0. В частности, распределение из сигнальной области Б0 сравнивается с распределением из контрольной области Б0, значимого отличия между ними не обнаружено, и ни на одном из них не видно пика на массе, где коллаборацией В0 заявлено существование частицы X(5568). Для проверки процедуры реконструкции критерии отбора изменяются так, что в сигнальный диапазон и в правый контрольный диапазон массы Б0 даёт значимый вклад распад Б0 ^ 3/фК+п-. При этом в распределении массы Б0п± из этих же двух диапазонов массы Б0 ясно видны вклады от распадов возбуждённых Б+-мезонов на , которые имеют такую же топологию, что и искомый сигнальный распад X(5568) ^ Б0п±. Затем, для получения численных ограничений на X (5568) и вычисления верхнего предела, производится аппроксимация распределения массы Б0п± из сигнальной области Б0 суммой гладкой функции для описания фона и сигнальной функции. Результат показан на рис. 2 для двух кинематических диапазонов. Полученное количество сигнальных событий X(5568) согласуется с нулём.
Рис. 2: Распределение по инвариантной массе событий в сигнальном диапа-
зоне В0 с наложенными результатами аппроксимации. Нижние графики показывают, распределения "тяги", т.е. разности данных и функции аппроксимации, делённой на ошибку данных. Вертикальные области показывают диапазон Мх ± Гх вокруг массы X(5568). (а) рт(В0) > 10 ГэВ; (Ь) рт(В0) > 15 ГэВ.
Рис. 3: Верхний предел на 95% уровне достоверности на рх в зависимости от массы и естественной ширины экзотического состояния, распадающегося на [4].
Верхний предел на долю В0-мезонов, рождающихся из распада X(5568) ^ со-
ставляет [4] рх < 1.1%(1.0%) на уровне достоверности 95% для кинематического диапазона рт (В0) > 10(> 15) ГэВ, где уже учтены систематические погрешности, связанные
с погрешностью эффективности реконструкции и выбором функции описания фона. Этот результат противоречит результатам коллаборации ВО. Причём, предел получен в кинематических условиях (ре, п), близких к условиям эксперимента ВО, в отличие от эксперимента ЬИСЬ.
В дополнение, получен верхний предел на рх в зависимости от массы и естественной ширины экзотического состояния X±, распадающегося на показанный на рис. 3. Для того чтобы его получить, были измерены зависимости эффективности и разрешения по массе от значения массы
зЗаключение. Эксперименты БАК получают большое количество новых результатов по спектроскопии тяжёлых адронов. В этой статье обсуждается лишь одно исследование на БАК частиц, содержащих тяжёлые кварки: поиск тетракваркового кандидата X(5568) ^ Значимого сигнала не обнаружено, а установленный верхний предел
на сечение рождения является наиболее строгим на данный момент. В ближайшие годы ожидается большое количество новых результатов по спектроскопии тяжёлых адронов, так как набранная экспериментами интегральная светимость многократно увеличилась, позволяя искать намного более редко рождающиеся частицы.
ЛИТЕРАТУРА
[1] C. Patrignani et al., Chin. Phys. C 40, 100001 (2016).
[2] V. Abazov et al., Phys. Rev. Lett. 117, 022003 (2016).
[3] R. Aaij et al., Phys. Rev. Lett. 117, 152003 (2016).
[4] A. Sirunyan et al., Phys. Rev. Lett. 120, 202005 (2018).
Поступила в редакцию 15 августа 2018 г.
После доработки 11 апреля 2019 г. Принята к публикации 15 апреля 2019 г.
Печатается по материалам VII межинст,ит,ут,ской молодёжной конференции "Физика элементарных частиц и космология 2018", Москва, ФИАН, 2018.
