Egzotyczne hadrony w Belle J. Brodzicka (IFJ PAN, Kraków)

Plan Nowe cząstki w Belle : historia odkryć Stany konwencjonalne i egzotyczne Spektroskopia w Fabrykach-B Stany XYZ: ostatnio odkryte rezonanse typu cc Podsumowanie

Eksperyment Belle w KEK (Japonia) KEKB: Fabryka B asymetryczny zderzacz e+e- e+: 3.5 GeV  e-: 8.0 GeV √s=10.58 GeV = masa (4S) e+e-  (4S)  BB Działa od 1999 Rekord świetlności: 1.711034cm-2s-1 Całkowita świetlność: 860 fb-1 750 fb-1 @ (4S) ~ 780 * 106 BB ~ 960 * 106 cc Fabryka mezonów B oraz hadronów powabnych

Nowe cząstki w Belle: historia D*0 D*2 2002: ηc’→KsKπ D*0(2308)→Dπ D1’(2420)→D*π D*s0(2317)→Dsπ0 Ds1(2460)→Ds*π0 X(3872) →J/ψπ+π- Y(3940)→J/ψω Σc(2800) →Λc+π X(3940)→D*D χc2’→DD Ξc(2980), Ξc(3077)→ΛcKπ DsJ(2700) →D0K Y family→J/ψπ+π- , ψ(2S)π+π- X(4260)→D*D* Z±(4430)→ψ(2S)π± 2008: Z±(4051), Z±(4281)→χc1π± ηc ηc’ D*s0(2317) Ds1(2460) Y(3940) Σc(2800)0 Ξc(2980) Ξc(3077) DsJ(2700) χc2’ XYZ : rezonanse typu cc Cząstki egzotyczne?

Hadrony konwencjonalne vs egzotyczne q Model kwarków Gell-Manna i Zweiga (1964): stany związane: (qq) mezony i (qqq) bariony = hadrony konwencjonalne QCD → opis wiązania kwarków w hadrony Modele potencjalne oparte na QCD → masy hadronów, rozpady,... Spektrum cc: dobra zgodność eksperymentu z modelem Stany bardziej zlożone niż qq lub qqq =egzotyczne: przewidziane przez modele potencjalne Spektrum cc „czystsze” niż uu/dd/ss → egzotyczne stany typu cc łatwiejsze do identyfikacji q 2M(D)

Egzotyczne hadrony typu cc Hybrydy: cc + wzbudzony gluon (model flux-tube) Lattice QCD: najlżejsze hybrydy @ 4.2GeV Egzotyczne liczby kwantowe JPC = 0+-, 1-+, 2+-… BF(H→DD**) > BF(H→DD(*) ) D**: orbitalnie wzbudzone mezony cq Duże czestości przejść hadronowych: H→ ψππ, ψω,… Multikwarki: Czterokwarki: dwukwark-antydwukwark [cq][cq’] „Kolorowe” dwukwarki mocno związane (wymiana gluonów) Rozpad: przekonfigurowanie do „białych” mezonów → dysocjacja Molekuły: M(cq)M(cq) Mezon i antymezon luźno związane (wymiana pionu) Rozpad: dysocjacja do składowych mezonów c g q c q c π D D(*)

Jak zidentyfikowac hadron egzotyczny? JPC zabronione dla konwencjonalnych cc → hybrydy Stany końcowe o nieskompensowanym ładunku i/lub dziwności: J/ψπ- =(cc)(ud) Ds+D- =(cs)(cd) → multikwarki Zbyt małe/duże czestości rozpadu niż przewidują modele dla stanów konwencjonalnych q c c g q c π D D(*)

Cząstki typu cc odkryte dotychczas Belle 4051±14+20-41 + i(82+21-17+47-22) JP π+χc1 B decays Z+(4248) 4248+44-29 +180-135 + i(177+54-39+316-61)

Produkcja stanów cc w Fabrykach B rozpady mezonów B: B→Xcc K (BF~10-3) powrót radiacyjny (ISR) e+e-→γISRXcc →γISR ψππ Dobre warunki eksperymentalne do poszukiwania nowych rezonansów podwójna produkcja cc e+e-→J/ψXcc rozpraszanie γγ e+e-→γγ→Xcc→DD B X=ηc χc ψ… W K b c u, d c s u, d e+ J/ψ X e- c γ* c JPC(X)=0++, 0-+ e+ e- π ψ γISR γ* X e+ e+ e- e- X D γ C(X)=+1 JPC(X)=1--

Z± : naładowane cząstki typu cc Rezonanse egzotyczne.

Jak rekonstruujemy mezony B Z kinematyki e+e-→(4S) → BB : m(4S)~mB+mB nie produkowane żadne dodatkowe cząstki → EB=Ebeam=√s/2 w układzie (4S) zmienne kinematyczne Mbc= √E2beam- p2B (sygnał przy mB~5.28GeV) ΔE=EB - Ebeam (sygnał przy 0) Wysoka rozdzielczość (Ebeam dobrze znana) Dobra separacja tła Mbc ΔE Przykład: B0→J/ψ KS

Z±(4430)→ψ(2S) π± Badanie rozpadu B→ψ(2S)π+K dla 605 fb-1 PRL100, 142001 (2008) Mbc ΔE Badanie rozpadu B→ψ(2S)π+K dla 605 fb-1 ψ(2S)→e+e-, μ+μ-, J/ψπ+π- K* veto M2( ψ(2S)π+ ) M2(Kπ+) K*(890) K2*(1430) ??? M(ψ(2S)π+) Z+(4430) N =121±30 (6.5σ) fit: Breit-Wigner + przestrzeń fazowa JP=?? M=4433±4±2 MeV Γ=45 MeV +18 +30 –13 -13 Pierwsze naładowane charmonium. Musi być egzotyczne! Interpretacja: czterokwark[cu][cd]; musi istnieć Z0→ψ(2S)π0 molekuła D*D1(2420); oczekiwany rozpad do D*D*π efekt progowy D*D1(2420)

Babar nie obserwuje Z±(4430) hep-ex/0811.0564 Badanie B→ψ(2S)π+K dla 413 fb-1 Rozkłady masy poprawione na straty efektywności Znaczącość Z(4430) ~2σ

Belle potwierdza Z±(4430) Pełna analiza diagramu Dalitza dla B→ψ(2S)π+K Amplituda: koherentna suma funkcji Breita-Wignera Maximum likelihood fit do diagramu Dalitza Modele: tylko znane stany K*→Kπ+ znane K*→Kπ+ i Z+→ψ(2S)π+ faworyzowany przez dane A B C D E M2(ψ(2S) π+) M2(K-π+ ) A B C D E A+C+E =K*veto M2(ψ(2S)π+) Znaczącość: 6.4σ CL: 36% M2(ψ(2S)π+)

Poszukiwanie Z± →χc1π ± Analiza rozpadów B0→χc1π+K- PRD 78, 072004 (2008) ΔE M(J/ψγ) Analiza rozpadów B0→χc1π+K- χc1 →J/ψγ J/ψ→e+e-, μ+μ- Pełna analiza diagramu Dalitza dla B0→χc1π+K- M2(χc1π+) M2(K-π+ ) K2*(1430) K*(1680) K*(892) K0*(1430) K3*(1780) ??? Amplituda B0→χc1π+K-: koherentna suma funkcji Breita-Wignera Modele: tylko znane stany K*→Kπ znane K* + nowe K* znane K* + jeden stan Z+→χc1π+ znane K* + dwa Z+→χc1π+ faworyzowany przez dane

Analiza Dalitza B0→χc1π+K- : Z1,2± →χc1π± Fitowany model: znane stany K*→K-π+ i dwa nowe rezonanse Z1,2+→χc1π+ Parametry Z1± i Z2± : M2(χc1π+) Znaczącość: 5.7σ CL: 40% M2(K-π+ ) M2(K-π+ ) • dane ˉˉˉtło –̶̶̶̶̶̶ –̶̶̶̶̶̶ wynik fitu …..fit bez Z M2(χc1π+)

Dwa stany egzotyczne Z±→χc1π± Spin stanów Z nie wyznaczony: fity dla J=0 i 1 nierozróżnialne Niezerowy ładunek → Z±(4051) i Z±(4248) to multikwarki M(χc1π+) for 1<M2(K-π+)<1.75GeV –̶̶̶̶̶̶ –̶̶̶̶̶̶ fit bez rezonansów Z –̶̶̶̶̶̶ –̶̶̶̶̶̶ fit z dwoma stanami Z –̶̶̶̶̶̶ –̶̶̶̶̶̶ Z(4051) –̶̶̶̶̶̶ –̶̶̶̶̶̶ Z(4248)

X(3872): rezonans typu cc Konwencjonalny czy egzotyczny?

Własności X(3872) Belle obserwuje X(3872)→J/ψπ+π- w B+→X(3872)K+ BaBar, CDF, DØ: potwierdzają X(3872) mX=3871.2±0.5 MeV mX-(mD*0+mD0)=-0.6±0.6MeV Γ<2.3MeV M(π+π-) sugeruje X(3872)→J/ψ ρ(770) Inne kanały rozpadu X(3872): J/ψγ, ψ(2S)γ, J/ψω, DD* JPC= 1++ albo 2-+ (z analizy kątowej CDF i Belle, M(π+π-), kanałów rozpadu) PRL91, 262001 (2003) M(J/ψπ+π-) 152M BB 117M BB M(π+π-)

Czym jest X(3872) ? m(Xd)-m(Xu)=(7±2)MeV cosθ konwencjonalne cc? brak kandydatów molekuła D0D*0 ? mX≈mD*0+mD0 sugestywna □ X→DD* powinien dominować □ oczekiwany nietrywialny kształt rezonansu czterokwark? □ oczekiwany dublet Xu [uc][uc] Xd [dc][dc] m(Xd)-m(Xu)=(7±2)MeV cosθ B0→ XuK0 B+→XdK+ □ konieczna obserwacja X± Braaten et al. hep-ph/0710.5482 Maiani, Polosa PRD 71, 014028 (2005) PRD71, 031501 (2005) M(J/ψπ-π0)

X(3872) w rozpadach B+ i B0 X(3872)→J/ψπ+π- w B+→XK+ i B0→XK0 hep-ex/0809.1224 X(3872)→J/ψπ+π- w B+→XK+ i B0→XK0 Podobne własności X(3872) produkowanego w rozpadach B+ i B0 → eliminuje (niektóre) modele czterokwarkowe B+→XK+ Ns=125±14 (12σ) 657M BB M(J/ψπ+π-) B0→XK0 Ns=30±7 (6.5σ) M(J/ψπ+π-)

X(3872)→D*0D0 (?) Preliminary X(3872)→D*0D0 w B+→D*0D0K B K D0D*0 Pomiar masy X przez Belle eliminuje model 4-kwarkowy: BF(X→D*0D0)/BF(X→J/ψππ) ~10 → faworyzuje interpretację molekularną B K D0D*0 605 fb-1 D*→Dγ D*→D0π0 Preliminary Flatte Breit-Wigner N=33±7 (4.9σ) PRD77, 011102(2008) m(X)=3875.1+0.7-0.5 ±0.5MeV Γ=3.0+1.9-1.4 ± 0.9 MeV hep-ex/0810.0358 X(3872) czy nowy X(3875)? m(X)=3872.6+0.5-0.4 ±0.4MeV Γ=3.9+2.5-1.3+0.8-0.3 MeV Xu [uc][uc]→ D*0D0= X(3875) Xd [dc][dc]→ J/ψππ = X(3872) Maiani, Polosa et al. hep-ph/0707.3354

X(3940)→D*D i X(4260)→D*D* Konwencjonalne?

Podwójna produkcja cc : e+e-→J/ψXcc PRL 98, 082001 (2007) Fabryka stanów cc z JPC=0++ i 0-+ Metoda: rekonstrukcja J/ψ, badanie masy brakującej: Zaskakujący rezultat: poniżej masy DD: stany cc, duże przekroje czynne O(10-20fb) powyżej masy DD: nowe rezonanse Ograniczenia metody: rozdzielczość~30MeV, badany stan nie rekonstruowany bezpośrednio Mrecoil(J/ψ) =√(Ecm-EJ/ψ)2 -p2J/ψ M=3936±14 MeV Γ=39±26 MeV Jeden rezonans czy więcej? 357fb-1

X(3940)→D*D i X(4260)→D*D* Badane procesy: e+e-→J/ψ D*D i e+e-→J/ψD*D* PRL100, 202001 (2008) Badane procesy: e+e-→J/ψ D*D i e+e-→J/ψD*D* (częsciowa rekonstrukcja D*D(*)) Możliwa interpretacja konwencjonalna: X(3940)=ηc(3S) i X(4260)=ηc(4S) (ale masy X są 100-150MeV powyżej przewidywań dla ηc(3S,4S)) ee→J/ψ DD* X(3940) 6.0σ M(D*D) ee→J/ψ D*D* X(4160) 5.5σ M(D*D*) M =3942 ± 6 MeV =37 ± 12 MeV +7 –6 +26 –15 M=4156 ± 15 MeV =139 ± 21 MeV +25 –20 +111 – 61

Rodzina cząstek Y→ψππ

Cząstki Y produkowane w ISR PRL 95, 142001 (2005) for 232fb-1 e+ e- π ψ γISR γ* Y PRL 98, 212001 (2007) for 298fb-1 ISR: Produkcja cząstek z JPC=1-- Emisja fotonu tłumiona; kompensowana przez duże świetlności Fabryk B Y(4260)→J/ψππ M=4259 ± 8 MeV  =88 ± 23 MeV +2 –6 +6 –4 PRD74, 091104 (2006) PRL 96, 162003 (2006) for 13pb-1@4.26GeV M=4324 ± 24 MeV  =172 ± 33 MeV Y(4360)→ψ(2S)ππ

Rezonanse Y→ψππ e+e-→p+p-J/y e+e-→p+p-y’ Y(4008), Y(4260), Y(4360), Y(4660) Więcej stanów z JPC=1- - niż nieobsadzonych stanów cc Egzotyczne własności Y: Duże częstości dla przejść hadronowych: Y→ψππ Powyżej progu DD ale małe częstości rozpadów do D(*)D(*) Interpretacje: molekuły DD1 lub D*D0 czterokwarki: cqcq hybrydy ccg Y(4260) Y(4008) e+e-→p+p-y’ Y(4360) Y(4660)

Przekroje czynne na produkcję powabu w ISR D*D* DD* (4040) (4160) Y(4008) (4415) Y(4660) Y(4260) Y(4350) DD DDπ Λc+Λc– ? PRD77,011103(2008) PRL100,062001(2008) PRL98, 092001 (2007) arXiv:0807.4458 PRD 77, 011103 (2008) for 673fb-1 PRL 98, 092001 (2007) for 548fb-1 PRL 100, 062001 (2008) for 673fb-1

Spektrum cc: state of art Większość nowych cząstek typu cc nie odpowiada nieobsadzonym stanom w spektrum cc ηc(4S) Y(3360), Y(3660)

Podsumowanie Nowa spektroskopia stanów cc @4GeV Zaobserwowano cząstki egzotyczne: Z±(4430)→ψ(2S)π± Z±(4051), Z±(4248) →χc1π± Inne cząstki wymagają zrozumienia: X(3872) Y-family Y(3940) … Konieczny wkład teorii (modele, oszacowanie efektów progowych i sprzężeń pomiędzy kanałami rozpadu) Widzimy Yb? Nowa spektroskopia także dla bb?

Backup

bb analog of Y(4260)? PRL100, 112001(2008) If bb follows the cc pattern: Yb→Y(nS)ππ with large partial width Study of Y(mS)→Y(nS)π+π- with data at Y(5S)~10.87GeV (21.7/fb) Energy scan around Y(5S) (7.9/fb) Large Γ(Y(5S)→Y(nS)ππ)! For other bb states: Γ~O(keV) Is it Yb? Mixture of Y(5S) and Yb? Observed shape disagree with Y(5S) hypothesis (fit). Yb at 10.89GeV?

Y(3940)→J/ψω M2(ωK) M2(ωJ/ψ) K*’s Study of B→ KJ/ψω ω→π+π-π0 Belle PRL 94, 182002 (2005) Babar hep-ex/0711.2047 submitted to PRL M2(ωK) M2(ωJ/ψ) K*’s Study of B→ KJ/ψω ω→π+π-π0 Mbc , ΔE and M(π+π-π0) selection mass/width discrepancy needs further study Y(3940) above DD threshold but has large cc transition Candidate for cc-gluon hybrid? (but hybrids predicted >4GeV) Re-scattering DD*→J/ψω? Y(3940) M(ωJ/ψ) M(ωJ/ψ) BF(B→KY)*BF(Y→J/ψω)= Belle (7.1±1.3±3.1)*10-5 Babar (4.9±1.0±0.5)*10-5

B0→χc1π+K- Dalitz plot analysis: one Z Single Z model: all known low-lying K-π+ resonances and one Z→χc1π+ exotic resonance (JZ=0) MZ= 4150+31-16 MeV ΓZ= 352+99-43 MeV fZ= 33.1+8.7-5.8% Significance: 10.7σ (difference of -2lnL for null and single Z models) Fit CL: 0.1% only (from Toy MC study) M2(χc1π+) M2(K-π+ ) M2(K-π+ ) • data ˉˉˉbackground –̶̶̶̶̶̶ –̶̶̶̶̶̶ fit function …..fit function w/o Z M2(χc1π+)

X(3940)→DD* and X(4160)→D*D* Reconstruct J/ψ and one D(*), associated D(*) seen as peak in Mrecoil(J/ψD(*)) Possible assignments: ηc(3S) ηc(4S) (but X masses ~100-150MeV above predictions for ηc’s) PRL100, 202001 (2008) Mrec(J/ψD) D D* D*π D D* Mrec(J/ψD*) ee→J/ψ DD* X(3940) 6.0σ M(D*D) ee→J/ψ D*D* X(4160) 5.5σ M(D*D*) M =3942 ± 6 MeV =37 ± 12 MeV +7 –6 +26 –15 M=4156 ± 15 MeV =139 ± 21 MeV +25 –20 +111 – 61 CX=+1 so X(4160)≠ψ(4160)

B0 →X(3872)K+π– ~1 5σ first observation X(3872)→J/ψπ+π– BELLE-CONF-0849 5σ B0 →X(3872)K+π– Mass(Kπ) K*0→Kπ non-resonant Kπ X(3872) sideband first observation Br(B0 →X(K+π–)non_res) Br(X→J/ψπ+π–) = (8.1±2.0+1.1–1.4)10–6 dominates ! unlike B→K”cc” Br(B0 →XK*0)Br(X→J/ψπ+π–) < 3.4x10–6 90% CL Br(B0 →X(K+π–)non res) Br(B0 →XK0s) ~1 ─ ICHEP2008 Galina Pakhlova, ITEP

B→J/γK & B→(2S)γK confirmation evidence X(3872)→J/γ X(3872)→(2S)γ B± →XK± B0 →XK0s B0 →XK*0 B± →XK*± 3.6σ confirmation B→J/γK & B→(2S)γK K = K, K0s, K*(892) B± →XK*± B0 →XK*0 B± →XK± B0 →XK0s X(3872)→(2S)γ NEW evidence 3.5σ 424fb–1 Br(B±→XK±)Br(X→J/γ) = (2.8±0.8±0.2)10–6 Br(B±→XK±)Br(X→(2S)γ) = (9.9±2.9±0.6)10–6 Relatively large Br(X→(2S)γ) is inconsistent with a pure D0D*0 molecular interpretation for X(3872) Favors cc - D0D*0 mixing models ─ Br(X→(2S)γ) / Br(X→J/γ) = 3.5 ± 1.4 Br(X→(2S)γ) / Br(X→J/π+π–) = 1.1 ± 0.4 HQ session: Arafat G.Mokhtar ICHEP2008 Galina Pakhlova, ITEP

Y→J/ψππ via ISR Study of e+e-→J/ψπ+π- γISR (548 fb-1) PRL 99, 182004 (2007) Study of e+e-→J/ψπ+π- γISR (548 fb-1) J/ψ→ee, μμ + ππ; no extra tracks ISR photon is not detected Missing mass used to identify process Y(4260) confirmed Y(4008) resonance? Re-scattering from DD*? Coupled-channel effect? Y(4260) Y(4008)

Y→ψ’ππ via ISR γISR not detected Study of e+e-→ψ’π+π- γISR (673 fb-1) PRL 99, 142002 (2007) Study of e+e-→ψ’π+π- γISR (673 fb-1) ψ’→J/ψππ, J/ψ→ee, μμ + ππ no additional tracks allowed γISR not detected Two significant peaks in M(ψ’ππ) : one close to Babar’s Y(4360) but narrower M(ψ’ππ) fitted with two coherent Breit-Wigners Y(4360) Y(4660)

x-sections for e+e-→ψππ ISR allows us to measure hadronic x-sections in wide energy range: model independent measurement M(ψππ): background subtracted, corrected for efficiency and luminosity → Cross-section for e+e-→ψπ+π- J/ψπ+π- ψ’π+π-

Is X(3872) a cc state ?

Double cc production: e+e-→J/ψ(cc)res .

Z(3930) from γγ γ X Only C=+1 states produced PRL 96, 082003 (2006) e+ e+ e- e- X D γ Only C=+1 states produced ee→γγ→DD studied (395fb-1) Peak observed M(DD)~3.93GeV N=64±18 M=3929±5±2MeV Г=29±10±2MeV Гγγ*BF(Z→DD)=0.18± 0.05±0.03 keV (for J=2) Spin-2 favored over spin-0 by helicity distribution Z(3930) is χ’c2 candidiate Z(3930) J=2 J=0