K. R. Schubert (TU Dresden), XXXVII. Arbeitstreffen Kernphysik, Schleching, 9/3/06 1

K. R. Schubert, TU Dresden

XXXVII. Arbeitstreffen „Kernphysik“, Schleching, 9 /3 /06

Zur Spektroskopieschwerer Mesonen

Reflexionen, cs - Mesonen, LS - und jj - Kopplung, Neues zu cc - und bb

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Peaks - Freude jedes Physikers

2006BABARπKD000.300 0 m±→

1

( )2003BELLE

ππ/J3872X36 −+→ ψ

3

2006BABARπDB000.25 0 ±± →

2

( )2005BABAR

ππ/J4260Y125 −+→ ψ

4

Entdeckungen in Produktion (1,2,3) oder Formation (4),1: e+e-→D0+x, 3: B+→X(3872)+K+, 4: e+e-→Y(4260).

1983CLEOπD104 s

±± → φ

7

2003BABARπDD1267 0s

*s0 →

8Unabhängige

Entdeckung 1974

des ersten cc:

p+Be→J(3097)+x,

e+e-→ψ(3097). 2003CLEO

πDD41 0*ss1 →

9

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Fallen

... warten überall in der Experimentalphysik, z. B.

(1) zu kleine Statistik oder fehl-abgeschätzter Untergrund,

(2) Pannen bei der Datenerfassung,

(3) Reflexionen.

zu (1) ein 30 Jahre altes Beispiel von Leon Lederman,

zu (2) ein Beispiel aus DASP-2 von 1978,

zu (3) dann gleich mehr;

deren Untersuchung ist heute Pflicht in jeder

Analyse der Mesonenspektroskopie.

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Namensgeber für das erste bb-Meson

D.C. Horn et al (Gruppe L. Lederman), PRL 36(1976)1236p + Be → e+e- + x, Ep = 400 GeV

„We are aware of the needfor confirmation“.

τ (1975) → b [ H.Harari ] ?

Die 12 Ereignisse bei 6 GeV haben σB = (5.2 ± 2.0) 10-36 cm2 /Nucleon.Ein „Toy Monte Carlo“ gibt P = 2%für eine Untergrund-Fluktuation.

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Das richtige Y(1S) in Produktion & Formation

Lederman auf der Budapester

EPS-KonferenzJuli 1977

W. R. Innes et alPRL 39(1977)1240

p + Cu,Pt → µ+µ- + xEp = 400 GeV

S. W. Herb et alPRL 39(1977)252

Auf Initiative von H. Schopper

Sept.77 - März 78Umbau des e+e-

Ringes DORISvon 7 auf 9,5 GeV,

alte DetektorenPLUTO & DASP-2

9/5/78:

C.W.Dardenet al

PL 76B, 246

m=(9.457±0.010)GeV

Γee = (1.3 ±0.4) keV

DASP-2e+e- → xKRS, privat

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Was ist eine Reflexion?

in der Hadronen-Spektroskopie die Vortäuschung eines (neuen) Teilchens durch unvollständige Rekonstruktion eines anderen (schon bekannten) Teilchens,bzw.eine der Gemeinheiten, die die Natur für Experimentatoren bereithält.

1983CLEOπD104 s

±± →φ

7

m = (1970± 5 ± 5) MeV

S > 5 σ.

Ein erstes Beispiel:

Ds-Mesonen 11S0 cs in

ihrem Zerfall in K*0(896) K+

Nach der Entdeckung durch

CLEO 1983 im Zerfall Ds → φ π

Bestätigung 1984 durch ARGUS

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Reflexionen, erstes Beispiel

unpublishedSuche nach e+e- → Ds(1970)→ φπ, φ3π, K*K

Stärkstes Signalin K*(→Kπ)K

π+ K+

cos θK>0.5

cos θK∈(0,0.5)

cos θK∈(-0.5,0)

Aber:

etwa die Hälfte vorgetäuscht durch D+(1870) → K*(→Kπ)πmit π, die als K fehl-identifiziert wurden.

D+→K0*π+

Mini Monte Carlo:

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... und was daraus geworden ist

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Reflexionen, zweites Beispiel

Suche des hc(11P1cc) in B+ → (J/ψ π0)K+ mit BABAR :

B-Mesonenzerfälle sind Produzent für cc-Zustände, B → J/ψ + x seit 1985 bekannt (ARGUS).

BELLE 2002, B+ → (KsKπ)K+ :

ηc(2S)

21S0cc

ηc(1S)

11S0cc

∆m vs. mES mES m(Kπ0) m(J/ψ π0) mit K* veto

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Suche des hc (11P1 cc) in B+ → (J/ψ π0)K+ (2)

Monte Carlo für cosθγ in hc→J/ψ π0,

π0→γγ.

Monte Carlo für cosθγ in χc1→J/ψ γ,

mit extra γ als hc→J/ψ π0

rekonstruiert.

cosθγ in Datender Signalregion:

m(J/ψ π 0) in Datennach cosθγ cut: Reflexion!

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Reflexionen, Schlussbemerkung

Heute ist das Studium aller möglichen Reflexionen

ein MUSS in der Mesonenspektroskopie.

Praxis in e+e--Vernichtungs-Experimenten:

„Generisches Monte Carlo“,

Simulation aller bekannten Reaktionen, Zerfälle und

Folgezerfälle bei gegebener e+e--Energie mit mindestens

dreifacher Ereigniszahl der analysierten Daten.

Dazu gehört ständige Aktualisierung des Monte Carlo.

Verbleibende Falle:

Vortäuschen eines neuen Teilchens oder einer neuen Zerfallsmode

durch andere unbekannte Teilchen oder Zerfallsmoden.

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Mit etwas Systematik: Die cs-Mesonen

⇒

S

I3

S

I3

C

D0

Ds

D+

D0D-

Ds

ηc

9+7=16, hier die 16 Grundzustände mit

L=S=J=0, P= -1, die 4 zentralen auch C= -1:

Gerson Goldhaber (SLAC-LBL) 1976, e+e-: Entdeckung des D0 = 11S0cʉ

Marcello Piccolo (SLAC-LBL) 1976, e+e-: Entdeckung des D+ = 11S0cd

Elliot Bloom (Crystal Ball) 1980, e+e-: Entdeckung des ηc = 11S0cc

Sheldon Stone (CLEO) 1983, e+e-: Entdeckung des Ds = 11S0cs

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Der Grundzustand Ds

Q(Ds) = +1, Q(Ds) = -1, I=0, m = (1968.3±0.5) MeV, τ = (490±9) fs.

Zerfällt nur durch schwache Ww, ca. 30 Moden bekannt, hier Beispiele:

c s

s s

Ds

W+

e+

νe

φ

c s

s s

Ds

W+

u

d

φ

π+

c d

s s

Ds

W+

u

d

K*0

π+

c s

s s

Ds W+

K+

K*0 d

u

c

s

DsW+

ντ

τ+

BF = 6%BF = 3%

BF = 2% BF = 4% BF = 6 .10-3

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Der erste angeregte Zustand Ds*

m = (2112.1±0.7) MeV, Γ < 1,9 MeV. Entdeckt 1984, TPC@PEP, e+e-

Zerfällt dominant elektromagnetisch, Ds* → Ds γ mit BF ~ 95% c

s

Ds

γ

Ds*Zweite Zerfallsmode Ds* → Ds π0

CLEO2 1995 mit BF = (6 ± 3)%

m(φπ+γ)-m(φπ+)

anti-π0-Schnittm(φπ+π0)-m(φπ+)

cos θγ < 0,85

BABAR,PRD 72(2005)091101R

Dresdner Dissertation, Martin Dickopp:

BF(Ds* → Dsπ0) = (5,8 ± 0,5 ± 0,6)%

Isospin-verboten, η-π0-Mischung?

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Die p-Wellen-Zustände des cs

0- 1- 0+ 1+ 2+

*

Status

2003: Vorsicht:

cc-Zustände sind

Eigenzustände

zu C, cs nicht.

Zwei 1+

Zustände Ds1

analog zu

hc (11P1cc)

und

χc1 (13P1cc).

JPC(hc) = 1+ -

JPC(χc1) = 1++

JP(beide Ds1) = 1+, Mischung

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Ds1(2536) und Ds2*(2573)Ds1(2536) 1989 von ARGUS in e+e- entdeckt, zerfällt in D*0K+ und D*+K0

m = (2535,3 ± 0,5) MeV, Γ < 2,3 MeV,

DK / D*K < 0,12,

Zerfall in D*K durch erlaubte s-Welle 1+ → 1- (L=0) 0-,DK braucht p-Welle, 1+ → 0-(L=1)0- Paritäts-verboten.

Ds2*(2573) 1994 von CLEO in e+e- entdeckt, zerfällt in D0K+,m = (2573,5 ± 1,7) MeV, Γ = (15 ± 5) MeV, D*K / DK < 0,33,

Zerfall in DK durch erlaubte d-Welle 2+ → 0-(L=2)0-

D*K mit p-Welle, 2+ → 1-(L=1)0- Paritäts-verboten.

*

Beide Massen in guter Übereinstimmung mit Potentialmodellen.

Deshalb Ds0* wg. Zerfall in DK [0+ → 0-(L=0)0-] mit Γ ≈ 100 MeV erwartet.

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Das unerwartete Ds0*(2317)

...et al, BABAR, e+e-(E*=mY4S)→ (K+K-π+)π0+x, p*(KKππ)>2.5 GeV/c

Schmaler Peak (Γ<10 MeV)

in Dsπ0 mit m = (2317±3) MeV,

schmal, weil Isospin-verboten

und unter der DK-Schwelle.

*

DK

2,6

2,4

2,2GeV

Ds0(2317)

0+ 1+ 2+

*

D*K

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Reflexion? Welches JP?

PRL 90(2003)242001 Keine Reflexionen im MC e+e- → c + c

Aus dem Entdeckungsvortrag von Antimo Palano (U Bari):

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Reflexion eines unbekannten Zustands?

PRL 90(2003)242001

Dsγ

Dsγγ

Dsγπ0

2317

2112

mit Dsγ =

Ds*(2112)

ups! eingereicht 11.4.2003,

CLEO am 28.5.2003:PRD 68(2003)032002

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CLEOs Entdeckung des Ds1(2460)

PRD 68(2003)032002 Diese Entdeckung

Ds1(2460) → Ds*π0 basiert auf weniger Events

als die erste Beobachtung durch BABAR,

enthält aber alle Reflexionen 2317 ↔ 2460.

BABAR

Dsπ0*

CLEO Dsπ0*

BELLE publiziert

2317 und 2460

noch 2003,

BABAR das 2460 erst 2004.

Die wechselseitigen Reflexionen beider Zustände sind sehr komplex.

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Ds1(2460) leckt ins Ds0*(2317)

kein Ds1(2460)→Dsπ0

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Ds0*(2317) leckt ins Ds1(2460)

m(Dsπ0γ) GeV

Biplot von Ds γ π0

Kombinationen:

m(Dsγ)GeV

Ds1(2460)Ds0*(2317) + γ

Ds*+π0

m(Dsπ0) GeV

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Reflexionen im Griff. Zwei Zustände mit JP=?0+ L=0

2317 → Dsπ0 (0-0-), JP = 1- L=12+ L=2

1+ L=02460 → Ds

*π0 (1-0-), JP = 0-,1-,2- L=11+,2+,3+ L=2

2317 → Ds γ

wie für J=0 erwartet

2460 → Ds γ beobachtet

schließt J=0 aus

JP(2317) = 0+,1-,2+ ...

JP(2460) = 1+,1-,2+,2- ...Jeweils

4 B-Moden,

B+ und B0,

D und D*

Mehr Information durch

B-Mesonen-Zerfälle,

BELLE als Pionier

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Helizitätsanalysen in B-Mesonen-Zerfällen

B → D Ds*(2317), nur D mit J=0, nicht D* mit J=1

Ds*(2317) wird, falls nicht J=0, polarisiert erzeugt.

Ds*(2317) → Ds(J=0) π0(J=0)

20*cos

dJ

h

YdN

∝θ

J* = Spin des 2317 zeigt sich in

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Ds*(2317) = Ds0*

J = 0, JP =0+

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Helizitätsanalyse von B → D Ds(2460)

mit dem Folgezerfall Ds(2460) → Ds γ

J (Ds2460) = 1, JP = 1+, 1- ?

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mit dem Folgezerfall Ds(2460) → Ds*π0

Belle

L = 0, JP = 1+

L = 1, JP = 0-, 1-, 2-

JP(Ds2460) = 1+, Ds(2460) = Ds1

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Das Spektrum des cs-Systems

*0- 1- 0+ 1+ 2+

*

Status

2005: 1+→0-0- JP-verboten

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Statt vieler Spekulationen nur eine

Sind 2317 und 2460 zwei zusätzliche cs-Zustände,

zusätzlich zu den Potentialmodell-Zuständen 0+(~2480), 1+(~2580),

oder sind es diese mit richtig-verstandener QCD?

Experimentell nicht leicht zu beantworten, denn 2580 → D*K und

2480 → DK wären s-Wellen-Zerfälle aus sehr breiten Zuständen,

2317, 2460 sind schmal, weil ihre Zerfälle I-verboten oder elmagn. sind.

Ihre niedrigen Massen lassen sich (qualitativ) in der effektiven QCD von

Systemen mit einem schweren und einem leichten Quark verstehen.

Diese Systeme werden in jj-Kopplung beschrieben; chirale Symmetrie

leichter Quarks erzwingt Ähnlichkeit von jP = 1/2+ und 1/2-.

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LS- und jj-Kopplung von Drehimpulsen

kennt jeder, der Atomphysik gehört oder gelesen hat:

In leichten Atomen dominiert LS-, in schweren jj-Kopplung,

verschiedene Spektroskopie von Zuständen und Übergängen.

Positronium und cc werden in LS-Kopplung beschrieben (s. K. Peters),

s(c)+s(c) = S = 0 oder 1, L = rel.Bahndrehimpuls, L+S = J,

P = (-1)L+1, C = (-1)L+S, ηc(11S0) → γ γ, γ∗ → J/ψ(13S1).

6 Zustände mit n=1, L=0 und 1 in der üblichen Notation 2S+1W[L] J (JPC):

L=0, S=0: 1S0(0-+), S=1: 3S1(1--).

L=1, S=0: 1P1(1+-), S=1: 3P0(0++), 3P1(1++) ,3P2 (2++).

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LS- und jj-Kopplung (2)

6 Zustände in LS-Kopplung: L=0, S=0: 1S0(0-+), S=1: 3S1(1--).

L=1, S=0: 1P1(1+-), S=1: 3P0 (0++), 3P1 (1++), 3P2 (2++).

Schwer-Leicht-Systeme lassen sich besser in jj-Kopplung beschreiben,

ℓ1 + ½ = j1, P1 = Pq (-1)ℓ1, ℓ2 + ½ = j2, P2 = Pq (-1)ℓ2, J = j1+ j2 , P = P1P2 .

6 Zustände mit n=1, ruhendem qschwer (jP = ½-) und mit ℓ = 0 und 1

bewegtem qleicht (ℓ = 0: jP = ½+, ℓ = 1: jP = ½- und 3/2 -):

½- ½+ → 0-, 1-, ½- ½- → 0+, 1+, ½- 3/2 - → 1+, 2+ .

Schwer-Leicht-Systeme in LS-Kopplung: 0-, 1-, 0+, 1+ (1P1), 1+ (3P1), 2+ .

4 der 6 sind in LS- und jj-Kopplung identisch, nur die beiden 1+ sind

Linearkombinationen der beiden anderen 1+ (jeder kennt die Clebschs).

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jj-Kopplung und Chirale Symmetrie

½- ½+ → 0-, 1-, ½- ½- → 0+, 1+, ½- 3/2 - → 1+, 2+ .

Im Grenzfall m(qleicht) = 0 wird die QCD für die Bewegung der leichtenQuarks mit ½+ und ½- identisch, damit werden die Massen von 0- und 0+ gleich, ebenso die von 1- und 1+(½-½-).

*Für m ≈ 0 werdendie Massen nicht gleich,

aber die Massen derbeiden ½-½- -Zuständewerden nahe an die der

beiden ½-½+ herangezogenund damit tiefer als in

nicht-chiral-symmetrischenPotentialmodellen

∆m=358 MeV

∆m=349 MeV

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Neues aus der cc-Spektroskopie

J/ψ

ψ(2S)

ηc

ψ(3770)

χc0

χc1

χc2ηc(2S) hc

hc: CLEOPRD 72(2005)092004

ηc(2S):

3 e+e--Methoden

2003

γγ, B, J/ψ recoil

hat Ihnen

Klaus Peters

erzählt ...

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und noch ein 4 Wochen altes BABAR-Papier

e+e- → ϒ(4S) → B B

vollrekon-struierteZerfälle

K± + x

230 M BB, 380 k Brek ≈ 8.10-4 aller B,

Ereignisse mit isolierten K± selektiert,

Impuls der K im B-Ruhesystem

so gut bestimmt, dass daraus

ein m(x)-Spektrum folgt:

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eigentlich B → D + x statt B → K + x

b c

ʉ ʉ

B-

W-

c

s

D0

xb c

ʉ ʉ

B- W-

K-

xcc c

s

N

mX

Ds Ds* Ds1(2460)

⇒ absolute BFfür B → D Xcs

⇒ absolute BF von Ds, Ds*, Ds1(2460)

BABAR

März 06

BF(2460 → Ds γ) ≈ 15%

BF(2460 → Ds*π0) ≈ 50%

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und ein 2 Wochen alter CLEO-preprint

CLEO 06-02 vom 20.2.2006:

11σ Bestätigung der

BABAR-Entdeckung

e+e-→Y(4260)→J/ψπ+π-

5σ Beobachtung von

Y(4260)→J/ψπ0π0

auch Evidenz für

Y(4260)→J/ψK+K-

mit 3,7σ

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und noch ein experimentelles Wort zum X(3872)

zur (qq)(qq) - Quasimolekül - Erklärung, X(3872) = DD* (oder DD*?)

liesse sich mehr berechnen, wenn bekannt wäre, um wieviel m(X3872)

größer oder kleiner ist als m(D) + m(D*).

Die Massen von D und D* sind aber nur auf ± 0.5 MeV bekannt, d. h.

die Summe auf ± 1.0 MeV. Wie geht das genauer?

Vorschlag und Programm in Novosibirsk:

e+e- (ECM auf 10-5 mit Depolarisation) → ψ(3770) → D D

mit sehr kleinen D-Impulsen, die viel genauer messbar sind als

die D-Massen. Damit: ( ) 22CM )D(2/)D( pEm −=

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Neues aus der bb-Spektroskopie

(9+x)

ϒ(2S)

ϒ(1S)

ϒ(4S)

ϒ(3S)

χbJ(1P)

χbJ(2P)

(10+1)

ϒ(1D)

36

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Das ϒ(1D)

von CLEO 2004 entdeckt, PRD 70(2004)032001

e+e- → ϒ(3S) → 4 γ + ϒ(1S), ϒ(1S) → ℓ+ ℓ -

35 ± 6 Ereignisse mit 4-γ-Kaskade, m(ϒ1D) = (10161,1 ± 0,6 ± 1,6) MeV

Nicht eindeutig bestimmbar, welches der drei 13DJ beobachtet wird,

J=1, 2, 3. Starke Evidenz für 13D2.

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Neue Messung der ϒ(4S)-Masse und -Breite

R. Waldi (Rostock) & BABAR, PRD 72(2005)032005

e+e- → Hadronen

mit Spherizitäts-Schnitt

1999, 2000, 2001

Fit an die σ(E) ergibt

Fit benötigt:

relativist. Breit-WignerModell für Γ(s)

Energie-EichungEnergie-Verschmierung

Strahlungskorrekturen

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ϒ(4S)-Masse und -Breite: Modell für Γ(s)

BB Schwelle

BB

BB* Schwelle

Fit nur bis hier

Quark Pair Creation Model

Le Youanc et al, PLB 71,397

ψ(Y4S) mit 3 Knoten und

< r > = 0,35 fm

ψ(B) mit < r > = 0,5 fm

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m(ϒ4S): Energie-Skala und -verschmierung

e+e- → Hadronen bei der Y(3S) - Resonanz,

deren Masse in Novosibirsk auf ± 0,5 MeV gemessen wurde

Extrapolation dieser beiden Werte von 10,35 bis 10,58 GeV

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m(ϒ4S): Fitfunktion für σ(E)

Γ(E) → σ(E)

e+e- → e+e- γ → Y(4S) γ

Ewahr → < E >nach Verschmierung

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ϒ(4S)-Masse und -Breite: Ergebnisse

mit systematischen Fehlern:

σm/m(1S,2S) = 310-5, σm/m(3S) = 510-5, σm/m(4S) = 1210-5.

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statt einer Zusammenfassung

Herzlichen Dank fürIhr Interesse !