Entschlüsselung der Rätsel charmanter Resonanzen

Semileptische B-Meson-Zerfälle mit mehreren Hadronen im Endzustand spielen eine entscheidende Rolle als Hintergrund für Untersuchungen zur Lepton-Flavour-Universalität, wie beispielsweise R(D(*))-Bestimmungen.

Zerfälle dieser Art bestehen im Allgemeinen aus schlecht verstandenen orbital angeregten Zuständen von Charm-Mesonen, die zusammenfassend als D** bezeichnet werden, sowie aus nichtresonanten Beiträgen von B → Xclν, die weitgehend ungemessen bleiben. Jüngste Studien haben gezeigt, dass das skalare Mitglied der D**-Familie, das D0*, tatsächlich eine Überlagerung zweier Resonanzen ist, was darauf hindeutet, dass die S-Wellen-Linienform nicht durch eine einfache Breit-Wigner-Verteilung beschrieben werden kann. Darüber hinaus stehen die Masse und Breite des D0* in einem rätselhaften Widerspruch zu den Vorhersagen der unitarisierten chiralen Störungstheorie (UChPT) und der Gitter-QCD, die einen leichteren Zustand bei etwa 2100 MeV favorisieren. Bislang gibt es jedoch keine direkten experimentellen Belege für diesen leichteren Zustand.

Forscher/innen der ETP, des Forschungszentrums Jülich, der Universität Bonn, der Universität Zürich, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Universität für Elektronikwissenschaft und Technologie Chinas (UESTC) haben kürzlich eine neuartige Messung im Belle-II-Experiment vorgeschlagen, um eine direkte Beobachtung zu ermöglichen und unser Verständnis dieser Zerfälle zu verbessern. Belle II eignet sich aufgrund des besonderen Versuchsaufbaus mit einem genau bekannten Anfangszustand in Verbindung mit einer fast ausschließlichen Produktion eines BB-Paares durch die Υ(4S)-Resonanz besonders gut für diese Analyse. Durch Ausnutzung dieser einzigartigen Ereignistopologie kann eines der Bottom-Mesonen durch rein hadronische Zerfallsketten vollständig rekonstruiert werden, wodurch die Kinematik des verbleibenden Bottom-Mesons unter Verwendung von Erhaltungsbedingungen abgeleitet werden kann – eine Methode, die als hadronisches Tagging bezeichnet wird. Die vorgeschlagene Messung nutzt diese Rekonstruktionstechnik, um die Winkelasymmetrie-Observablen von B → Dπℓν-Zerfällen in Bins des invarianten Dπ-Massenspektrums zu messen. Anhand dieser Informationen lässt sich die Dπ-S-Wellen-Phasenverschiebung direkt extrahieren, was die notwendigen experimentellen Daten liefert, um den Pol des D0* durch eine modellunabhängige K-Matrix-Anpassung zu bestimmen. 

Das Forschungsteam führte eine Sensitivitätsstudie durch und stellte fest, dass das Belle-II-Experiment die Polposition mit ausreichender Genauigkeit bestimmen kann, um das D0*(2100) anhand des derzeit verfügbaren Datensatzes eindeutig zu identifizieren. Folglich werden die Ergebnisse des vorgeschlagenen Projekts unser Verständnis der Spektroskopie von charmierten Mesonen erheblich verbessern.  

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Eur.Phys.J.C 85 (2025) 11, 1289 veröffentlicht und sind auch als Vorabdruck verfügbar. 

Kontakt: Dr. Raynette van Tonder (raynette vantonder ∂does-not-exist.kit edu )