Physicists spot unexpected particle behavior in precision detector experiment
Researchers using China's BESIII particle detector discovered an unusual resonance pattern in pion interactions, analyzing 2.7 billion collision events with unprecedented precision. The finding could refine fundamental physics models and validates advanced detection methods critical for next-generation particle research infrastructure.
Originaltitel: Observation of a Threshold Enhancement in the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:msup> <mml:mi>π</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>π</mml:mi> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:msup> </mml:math> Spectrum in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow> <mml:mi>ψ</mml:mi> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:mn>3686</mml:mn> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mo stretchy="false">→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>π</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>π</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mi>J</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> Decays
Based on the <a:math xmlns:a="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <a:mrow> <a:mo stretchy="false">(</a:mo> <a:mn>2712.4</a:mn> <a:mo>±</a:mo> <a:mn>14.4</a:mn> <a:mo stretchy="false">)</a:mo> <a:mo>×</a:mo> <a:msup> <a:mrow> <a:mn>10</a:mn> </a:mrow> <a:mrow> <a:mn>6</a:mn> </a:mrow> </a:msup> <a:mtext> </a:mtext> <a:mi>ψ</a:mi> <a:mo stretchy="false">(</a:mo> <a:mn>3686</a:mn> <a:mo stretchy="false">)</a:mo> </a:mrow> </a:math> events collected with the BESIII detector, we present a high-precision study of the <g:math xmlns:g="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <g:msup> <g:mi>π</g:mi> <g:mo>+</g:mo> </g:msup> <g:msup> <g:mi>π</g:mi> <g:mo>−</g:mo> </g:msup> </g:math> mass spectrum in <i:math xmlns:i="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <i:mi>ψ</i:mi> <i:mo stretchy="false">(</i:mo> <i:mn>3686</i:mn> <i:mo stretchy="false">)</i:mo> <i:mo stretchy="false">→</i:mo> <i:msup> <i:mi>π</i:mi> <i:mo>+</i:mo> </i:msup> <i:msup> <i:mi>π</i:mi> <i:mo>−</i:mo> </i:msup> <i:mi>J</i:mi> <i:mo>/</i:mo> <i:mi>ψ</i:mi> </i:math> decays. A clear resonancelike structure is observed near the <n:math xmlns:n="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <n:msup> <n:mi>π</n:mi> <n:mo>+</n:mo> </n:msup> <n:msup> <n:mi>π</n:mi> <n:mo>−</n:mo> </n:msup> </n:math> mass threshold for the first time. A fit with a Breit-Wigner function yields a mass of <p:math xmlns:p="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <p:mrow> <p:mn>285.6</p:mn> <p:mo>±</p:mo> <p:mn>2.5</p:mn> <p:mtext> </p:mtext> <p:mtext> </p:mtext> <p:mi>MeV</p:mi> <p:mo>/</p:mo> <p:msup> <p:mrow> <p:mi>c</p:mi> </p:mrow> <p:mrow> <p:mn>2</p:mn> </p:mrow> </p:msup> </p:mrow> </p:math> and a width of <r:math xmlns:r="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <r:mn>16.3</r:mn> <r:mo>±</r:mo> <r:mn>0.9</r:mn> <r:mtext> </r:mtext> <r:mtext> </r:mtext> <r:mi>MeV</r:mi> </r:math> with a statistical significance exceeding <t:math xmlns:t="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <t:mrow> <t:mn>10</t:mn> <t:mi>σ</t:mi> </t:mrow> </t:math> . To interpret the data, we incorporate final-state interactions (FSI) within two theoretical frameworks: chiral perturbation theory (ChPT) and QCD multipole expansion (QCDME). ChPT describes the spectrum above <v:math xmlns:v="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <v:mn>0.3</v:mn> <v:mtext> </v:mtext> <v:mtext> </v:mtext> <v:mi>GeV</v:mi> <v:mo>/</v:mo> <v:msup> <v:mi>c</v:mi> <v:mn>2</v:mn> </v:msup> </v:math> but fails to reproduce the threshold enhancement. In contrast, the QCDME model—assuming the <x:math xmlns:x="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <x:mi>ψ</x:mi> <x:mo stretchy="false">(</x:mo> <x:mn>3686</x:mn> <x:mo stretchy="false">)</x:mo> </x:math> is an admixture of S- and D-wave charmonium—reproduces the data well. The pronounced dip near <bb:math xmlns:bb="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <bb:mn>0.3</bb:mn> <bb:mtext> </bb:mtext> <bb:mtext> </bb:mtext> <bb:mi>GeV</bb:mi> <bb:mo>/</bb:mo> <bb:msup> <bb:mi>c</bb:mi> <bb:mn>2</bb:mn> </bb:msup> </bb:math> offers new insight into the interplay between chiral dynamics and low-energy QCD.