Singa and kappa analysesat BESII
Ning Wu
Institute of High Energy Physics, CAS
Beijing, China
January   25-26,   2007
Introduction
The existence of  and  had been suggested from variousviewpints both theoretically and phenomenologically. Earlyanalysis of I=0  S-wave phase shift make the conclusionsagainst the existence of the σ particle. As a results, it had everdisappeared from PDG for about 20 years. But  most re-analysis of ππ/πK scattering data support the existence of the and  particles.
In early studies, most evidences of the existence of  and come from ππ/πK scattering. If  and  particles exist, theyshould also be seen in the production processes. Searching andstudying  and  in production processes is also important forus to know their properties and structures.
Introduction(2)
We first found evidence of the existence of σand κparticles in7.8M BESI J/ψ data. After BESII obtain much larger J/ψ datasample, we moved our analysis to be based on BESII data.
Based on BES J/ψ decay data, a low mass enhancement in ππspectrum in J/ψωππ and a low mass enhancement in Kπspectrum in J/ψK*(892)Kπ are found. In order to prove thatthey are σand κparticles, we need not only to measure theirpole positions, but also to determine their spin-parity.  So,PWA analyses are needed to study σand κparticles in these twochannels.
Introduction(3)
PWA analysis is widely used in BES physics analysis in pasta few years. It is used to determine mass, width andbranching ratio of a resonance, and to determine its spin-parity.
In this talk, we discuss PWA analyses of J/ψωππ  andJ/ψK*(892)K.
Main contents of the talk are
1.Helicity Formalism
2.Maximum Likelihood Method
3.PWA analysis on J/ψωππ
4.PWA analysis on ψππJ/ψ
5.PWA analysis on J/ψK*(892)K
6.Summary
Helicity Formalism
For a  two-body decay process
a          b     +     c
spinJ              sb           sc
momentumpa             pb          pc
helicitym             λb          λc
paritya       b       c
Its S-matrix element is
Reltive momentum  of two final state particles in center of mass syetem
Helicity Formalism(2)
The decay amplitude is
D-function
Helicity coupling amplitude
All angular information of the decay vertex are contained in the D-function,and helicity coupling amplitude is independent of all angular variables.
Helicity Formalism(3)
In J/ψ hadronic or radiative decay processes, parityconservation is hold. The heliclity coupling amplitude hasthe following symmetry
If two final state particle b and c are identical particles, thewave function of final state system should be symmetric orantisymmetric, and
Helicity Formalism(4)
In experimental physics analysis, most decays weencountered are sequential decays, and resonant statesappear as intermediate states.
The decay amplitude for this sequential decay is
a
b
c
d
e
Decay amplitude for
ab+c
Decay amplitude for
bd+e
Breit-Wigner function
of the resonance b
Maximum Likelihood Method
In experimental physics analysis, after we obtain a datasample, we first need to know how many resonances appearand what is the decay mechanism. Then we need tocalculate the differential cross-section
=(1,2,…)helicities of final state particles
=(1,2,)helicities of intermediate resonances
mhelicity of the mother particle
dΦelement of phase space
BGnon-interference backgrounds
icomponents considered
Maximum Likelihood Method(2)
Normalized probability density function which is used todescribe the whole decay process is
σtotal cross section
W(Φ)effects of detection efficiency
xquantities which are measured by experiments
αunknown parameters which need to bedetermined in the PWA fit.
Maximum Likelihood Method(3)
Total cross-section is defined by
NMCthe total number of Monte Carlo events
( … )jthe quantity is calculated from the j-th MonteCarlo events
It is required that these Monte Carlo events are obtained throughreal detection simulation and have passed all cut conditions whichare used to to obtain the data sample of the process.
Maximum Likelihood Method(4)
The maximum likelihood function is given by the adjointprobability for all the data
Define
In the data analysis, the goal is to find the set of  unknownparameters α by minimizing S. Mass and width of a resonanceare determined by mass and width scan. Spin-parity of aresonance is determined by comparing fit quality with differentsolution of different spin-parity.
Study of  Particle at BES
Clear signals of σ particle are found in two channels atBES:
1)J/ψωππ
2)ΨππJ/ψ
 Pole  in J/ψ→ωπ+π-
1)This channel was ever studied by MARKIII, DM2 andBES.
2)In the early studies, the low mass enhancement does notobtain enough attention.
3)Since 2000, BES had performed careful study on thestructure of the low mass enhancement, and measuredparameters of its pole position.
4)Data sample:   BESI     7.8M  J/ψ events
BESII     58M  J/ψ events
Study of σ Based on58M BESII J/ψ Events
π0  and ω Signal
BESII
BESII
Invariant mass spectrumand Daliz plot
BESI
BESI
BESII
Possible Origin of the low mass enhancement
1.Backgrounds
2.Phase space effect
3.Threshold Effects
4.Resonance
Two different kinds of backgrounds
(1)Contain ωparticle in the decay sequence: J/ψωX
(2)Do not contain ωparticle in the decay sequence
ω side-band  does not contain the low mass enhancement, so it does notcome from the second kind of backgrounds.
Background Study
BESII
After side-bandsubtraction
Monte Carlo simulation of some J/ψ decay channels. All these backgrounds cannot produced the low mass enhancement, so it can not also come from the firstkind of backgrounds.
Background Study
Generate 50M J/ψ  anything Monte Carlo events. The generator is based on
Lund-Charm model.  It contain almost all known J/ψ  decay channels.
It contains the backgrounds of inclusive J/ψ decays.
Backgound Study
Not a phase space effect.
Phase Space Effect
BESII
Enents are not unifromly scattered in the whole phase space, the shape of thelow mass enhancement is also different from that of phase  space.
A clear peak is seen in the phase space and efficiency correctedspectrum. Threshold effect should decrease monotonically at thethreshold.
Threshold Effect
BESII
Summary on σ origin
Not from backgrounds
Not a phase space effect
Not threshold effect
It should be a resonance
PWA Analysis
Two Independent PWA analysis are performed:
1)Using the method of relativistic helicity couplingamplitude analysis to analyze the spectrum of lowermass region
2)Using the Zemach formalism to analyze the spectrumof the whole mass region.
 Results obtained from two independent analysis arebasically consistent.
To avoid complicity in the higher mass region, and concentrate
our study on the low mass enhancement, PWA analysis isperformed only on the 0 — 1.5 GeV mass region.
PWA analysis0-1.5 GeV
BESII
Components
The following components are considered:
  σ
   f2(1270)
   f0(980)
   b1(1235)
   Background
PWA Analysis
The dominant backgrounds are phase spacebackgrounds and ρ3π backgrounds
Three different methods are used to fitBG.(free fit, directly side-band subtraction, fixBG to different level)
Large uncertainties comes from the fit onbackgrounds, which is the main sources ofuncertainties.
0++
2++
4++
Angular distributions of the
low mass enhancement
Spin-Parity
Compare the fit quality
Spin-Parity
Parametrizations
There does not exist a maturemethod to parametrize a wideresonance near threshold, sodifferent parametrizations aretried in the fit.
Constant width
With contains ρ(s)
Zheng’s parametrization
Three different parametrizations are used in this fit. Mass and width areobtained through the fit, pole positions are calculated theoretically.
Mass, width and pole positions
Eq.(9)BW of constant width
Eq.(13)BW of width contains ρ
Eq.(14)Zheng’s parametrization
A 0++ resonance is used to fit σ particle.
Fit on the angular distributionsof the lower mass region
Contribution from  σ particle
Fit on angular distributions
Fit on Dalitz Plot
Method II
Another independent PWA analysis is performed in this channel. Itanalyze the whole mass region  and the following processes are addedinto the fit.
Method II (continued)
The σ particle is also needed in the fit of the low mass enhancement. Thedominant contribution of the low mass enhancement also comes from theσ particle.
Method II (continued)
Pole positions of the σ particle obtained by this method is consistent withabove. The combined results are (541±39) –i (252±42) MeV.
Constant
With ρ
σ particle in ΨππJ/ψ
The ππ mass spectrum can be fit phenomenonlogically.
It can also be fit by σ particle destructively interfere with a broad scalarstructure,   i.e.  |BW(σ)+IPS|2.
σ particle in Ψ’ππJ/ψ
Strong destructiveinterference, so that theamplitude at threshold isalmost zero.
Three different BWparametrizations are also tried inthe fit. The shape of the BW givenby different parametrizations arealmost the same.
σ particle in Ψ’ππJ/ψ
Different parametrizations are tried in the PWA fit.
Results on pole positions given by these parametrizations are quite consistent.
Summary on σ pole positions
BESI  J/ψ data
BESII  J/ψ data
ωππ system
BESII  J/ψ data
5π system
BESII ψ data
Study of κ Particle at BES
Clear signal of κ particle is found in theKπ invariant mass spectrum in  the decaychannel J/ψK*(892)0Kπ.  It is seen atboth BESI and BESII data.
κ particle inJ/ψ→K*(892)0K+π-
BESII data
For our BESII data, the statistics are much larger.
Recoil mass spectrum againstK*(892)0
κ signal is clear in the invariant mass spectrum.
Dalitz Plot
κ signal isclear in theDalitz plot.
Charge conjugate channel
The spectrum is almost the same as that of the charge conjugate channel.
Charge conjugate channel
共轭道
1.Backgrounds
2.Phase space effects
3.Threshold effects
4.Resonance
Possible origin
Background Study
K*(892)0 side-band
Background Study
Monte Carlo simulation
Background Study
50M inclusive
Monte Carlo
Use the J/ψanythingMonte Carlo to study thebackgrounds from inclusiveJ/ψ decay.
Background Study
50M inclusive Monte Carlo
Data
MC
Background Study
50M inclusive Monte Carlo
MC
Data
All these results show that the low mass enhancement does not come fromthe backgrounds of inclusive J/ψ decay.
Phase space effect
Not a phase space effect
Summary on κ origin
Not from backgrounds
Not a phase space effect
Threshold effect? (limit ststistics)
Should be a resonance
Decay sequence
In the recoil mass spectrum against κ, only K*(892) can be  clearlysee,  so it is produced through J/ψ→ K*(892)0 κ
Decay Mechanism
In the PWA analysis, the following four decay processes areconsidered.
Two IndependentPWA Analysis
Method A is based on covariant helicity amplitude analysis.
Method B is based VMW method.
Two analyses are based on the same data sample.
Two PWA analysis are performed independently.
Spin-parity
It is a 0+ resonance.
Statistical significance
 Pole position
Poles given by different parametrizationsare close to each other.
Comparison
Δφ=φ(s)-φ(st)
Width contains ρ
Constant width
Zheng’s parametrization
Though mass and width parameters of different parametrizations  aredifferent, the the shape given by them are almost the same.
Global fit
Global fit
Total 0++ contribution
Fit on Dalitz plot
PWA fit
Data
Method B
Method B is based on VMW method.
The least χ2 method is used in the fit.
The fit is independently performed. Its theoretical formula of thedecay amplutude, fit method and components added into the fit aredifferent from those of method A.
Final PWA results are consistent with those of Method A.
VMW Method
Analysis formulais based on theLagrangian ofstronginteractions.
VMW Method
Statistical significance
In the Mthod B, the κ particle is used to fit thelow mass enhancement. Its statisticalsignigicance is also high.
VMW Method
Components are different in two analysis.
 Pole  Position
Combined:
VMW Method
VMW Method
Summary
1)In BES J/ψ decay data, σ and κ particles areclearly seen in both invariant mass spectra andDalitz plots.
2)The spin-parity of the low mass enhancements aredetermined to be 0++They are considered to bethe σ and κ particles respectively.
3) σ and κ particles are highly needed in the fit of thecorresponding spectrum.
4)Different parametrizations are used to fit them.And the final pole positions given by theseparametrizations are quite close to each other.
Thanks !