ψ₀(4360) → η ψ(2S) 탐색, BESIII 4.8 GeV 영역에서 새로운 0^{ } 상태를 찾아서

초록

BESIII는 4.84, 4.92, 4.95 GeV에서 총 0.9 fb⁻¹의 데이터를 이용해 $e^{+}e^{-}!\to!\eta\eta\psi(2S)$ 과정을 조사했다. $J^{PC}=0^{–}$인 가설적인 $\psi_{0}(4360)$가 $e^{+}e^{-}!\to!\eta\psi_{0}(4360)$, $\psi_{0}(4360)!\to!\eta\psi(2S)$ 로 생성될 가능성을 검증했지만, 유의미한 신호는 관측되지 않았다. 각 에너지점에서 $σ(e^{+}e^{-}!\to!\eta\psi_{0})\times\mathcal{B}(\psi_{0}!\to!\eta\psi(2S))$ 및 전체 단일단위 교차섹션에 대한 90 % 신뢰구간 상한을 제시하였다.

상세 분석

이 연구는 전통적인 $c\bar c$ 스펙트럼에 속하지 않는 $J^{PC}=0^{–}$ 양자수를 가진 $\psi_{0}(4360)$ 존재 가능성을 실험적으로 검증한다는 점에서 이론적·실험적 의미가 크다. $0^{–}$는 $c\bar c$ 단순 쿼크쌍으로는 만들 수 없는 ‘엑소틱’ 양자수이며, 사강(四强) 글루온 결합이나 사중쿼크·분자상태 등 복합 구조를 암시한다. BESIII는 $e^{+}e^{-}$ 충돌에서 초기 상태 복사(Initial State Radiation) 없이 직접 $\eta$와 $\psi_{0}$를 생산하도록 설계된 에너지(≈4.4 GeV)에서 데이터를 수집했다. $\psi(2S)$는 $\pi^{+}\pi^{-}J/\psi$와 $J/\psi!\to!l^{+}l^{-}$($l=e,\mu$) 채널을 이용해 재구성했으며, 두 개의 $\eta$는 $\gamma\gamma$ 혹은 $3\pi^{0}$ 디케이로 식별했다. 신호 후보는 전반위상공간에서 4-입자(두 $\eta$, 두 $\pi$, 두 레프톤) 전이 질량을 전역 적합하고, 배경은 주로 $e^{+}e^{-}!\to!\eta J/\psi\eta$ 및 비공명 다중중성 파이온 생산으로 모델링했다. 효율은 전이 각도와 검출기 수용능력에 따라 MC 시뮬레이션으로 추정했으며, 트리거, 추적, 입자 식별, 브랜치 비율 등에 대한 시스템오차를 모두 합산해 총 12 % 수준의 불확실성을 얻었다. 각 에너지점에서 관측된 이벤트 수는 기대 배경과 일치했으며, 피크 형태의 신호는 $<2σ$ 수준에 머물렀다. 따라서 베이즈 상한 계산을 통해 $σ\cdot\mathcal{B}$에 대한 90 % 신뢰구간 상한을 $0.5\sim1.2$ pb 정도로 제시했다. 이 결과는 기존에 $Y(4360)$와 같은 $1^{–}$ 구조와는 구별되는 $0^{–}$ 후보가 현재까지는 실험적으로 확인되지 않았음을 의미한다. 또한, 이와 유사한 엑소틱 양자수를 가진 다른 상태(예: $Z_{c}$, $X(3872)$ 등)와 비교했을 때, 생산 단면이 매우 억제되거나 브랜치 비율이 작을 가능성을 시사한다. 향후 더 높은 통계량과 다양한 $\eta$ 재구성 채널을 활용한 탐색이 필요하다.