We measured the branching fraction of the decay J/ψ→ Δ++Δ-- using the data collected at BES-II experiment. BES-II experiment collected 58M J/ψ events with BEPC collider operated at the energy of 3.097GeV. The dominant process of J/ψ decay into baryon antibaryon pairs is the three-gluon process and the subsequent creation of quark-antiquark pairs forming a final baryon-antibaryon pairs. The theoretical studies on the production of baryon-antibaryon pairs from J/ψ have been conducted in the framework of perturbative QCD. The experimental studies have also provided various measurements on production of octet and decuplet baryon-antibaryon pairs from J/ψ. However, a measurement on the decay J /ψ → Δ++Δ-- has got left behind because of the broad width of Δ baryon. Taking advantage of the abundant J/ψ data of BES-II, we conducted a precise measurement on the decay J/ψ→ Δ++Δ--.

The organization of this thesis is as follows. After an introduction to the decay J/ψ→ Δ++Δ-- at Chapter1, detector components of BES-II experiment and BEPC are described at Chapter2. The measurement of the branching fraction of J/ψ → Δ++Δ-- is described in Chapter 3, and its systematic error is discussed in Chapter 4. The measurement is compared with the theoretical prediction in Chapter 5. The conclusion is written in Chapter 6.

1 Analysis of J/ψ→ Δ++Δ-- (Chapter 3)

Because of its broad decay width (~ 120MeV), Δ++(Δ--) baryon immediately decays into proton and π+ (antiproton and π-) at the e+e- interaction point. Taking this characteristic into account, we imposed the following conditions in the event selection.

・There are 4 charged tracks which originate in e+e- interaction point and are identified as proton, antiproton and π±.

・Momentum sum of the 4 tracks should be, in principle, 0.

・ Event topology between Δ++ and Δ-- should be almost back-to-back.

After the event selection, a broad peak of Δ baryon can be found in the invariant mass spectrum of Δ++ as shown in Fig.1. However, there also exist a considerable background. Possible sources of background we consider here are as follows.

Due to the broad Breit-Wigner width of Δ baryon, both signal (Δ++Δ--) and background events spread all over the two dimensional invariant mass spectrum (Fig.2), which means that we cannot use cut-based analysis to determine the signal-to-background ratio. Therefore, the binned maximum likelihood analysis technique was used. The likelihood function is based on the two dimensional invariant mass spectrum of Δ baryons. The function is constructed from Poisson distribution which gives the probability of observing di content at bin i(i = 1...M) when fi contents are predicted.

The predicted bin content fi at bin i are constructed from Monte Carlo simulation, where signal and backgrounds exist with the ratio as below.

The ratios A to F are variables in the likelihood function. The log-likelihood function is calculated with simultaneously with changing all the values of the fractions A to F. A set of fractions (A*,B*,C*,D*,E*, F*) at the absolute minimum of the log-likelihood function are used to determine the number of signal events. After dividing the number of signal events with selection efficiency, we obtain the the following branching fraction.

2 Study on Systematic error (Chapter 4)

The uncertainties with backgrounds as listed below are considered as a source of systematic error.

・ Breit-Wigner width of Δ baryon

Breit-Wigner width of Δ baryon has been measured to be 118 ~ 125 MeV, and PDG sets typical decay width to be ~ 120 MeV, which is narrower than the one used in the likelihood analysis (130 MeV). Therefore, we conducted the likelihood analysis with two different widths (Г0 = 118, 125 MeV), and recalculated the branching fraction of J/ψ→ Δ++Δ--.

・ Breit-Wigner width of N*

There are several N* resonances which have similar mass. For example, two N* resonances exist around the invariant mass of ~ 1.7 GeV: N*(1710) and N*(1720). Also, there is uncertainty with the Breit-Wigner width of N* baryons. Therefore, we conducted the likelihood analysis with three sets of Monte Carlo event samples with different masses and widths. Then, the branching fraction of J/ψ→ Δ++Δ-- is recalculated.

・ interference effects

Since the final states of decays J/ψ→ Δ++Δ-- and J/ψ→ Δ--(Δ++)pπ+(pπ) are all pπ+pπ-, interferences between them could be observed. Hence, the interferences between J/ψ→ Δ++Δ-- and J/ψ → Δ--(Δ++)pπ+(pπ-) and the interference between J/ψ→ Δ++Δ-- and J/ψ→ pπ+pπ- are incorporated into the likelihood function, and the likelihood analysis was conducted.

・ selection efficiencies

Uncertainty due to systematic effects in event selection are analyzed . Cut conditions imposed in the event selection were altered by certain amounts, and the likelihood analysis were conducted to see the effects on the branching fraction of the decay J/ψ→ Δ++Δ--.

・ detection efficiencies

In estimating the branching fraction of J/ψ→ Δ++Δ--, the difference in tracking and particle identification(PID) efficiency between Monte Carlo and data could be a source of systematic uncertainty. Therefore, the tracking and PID efficiency is calculated both with MC samples and data using J/ψ→ ΛΛ events. Then, its difference is taken into account as a systematic error

The above listed studies give the following systematic error.

3 Discussions and Conclusion (Chapter5, 6)

Fig.3 shows the gross structure of branching fraction of J/ψ decay into decuplet baryonantibaryon pairs as a function of baryon mass. Our measurement is well described by the phase space suppression factor, where MB denotes the baryon mass and Mp denotes the mass of proton. In this figure, theoretical predictions by Bolz and Kroll are also shown with triangular and circle dots. Our measurement is significantly higher than their prediction. This is probably due to the contribution from the electromagnetic process.

Figure 1: The invariant mass spectrum of Δ++ of data. After the event selection, a broad peak from Δ++ appears.

Figure 2: The two dimensional invariant spectrum of Δ++ vs Δ-- of (a) data (b) Δ++Δ--of MC (c) pπ+pπ- of MC.

Figure 3: The observed branching fraction of the decay J/ψ into baryon-antibaryon pairs. The red square dot shows our result on J/ψ Δ++Δ--. The dashed line shows the phase space suppression. The triangular and circle dots is the theoretical prediction by Bolz and Kroll

本論文は6章からなる。第1章はイントロダクションであ、J/ψの研究の歴史を概観し、そのハドロンへの崩壊、特にバリオン対への崩壊過程について実験的および理論的な理解の状況を説明し、この研究の対象であるΔ++Δ--崩壊モードの測定の目的を明かにしている。第2章は実験の説明である。この研究で用いたJ/ψデータの収集に使われた加速器と検出器について述べられている。第3章は本研究の中心であるJ/ψ→Δ++Δ--崩壊分岐比の測定についての詳細な議論である。北京のe+e-コライダーBEPCにおけるBES-II実験で得られた、これまでにない高統計のJ/ψサンプルを用いた測定がおこなわれた。第4章では系統誤差やバイアスの評価がおこなわれ、第5章で結果に基いて過去の実験結果との比較や新しい理論計算との比較をおこないJ/ψのバリオン対崩壊についての議論をおこなった。第6章は、まとめと結論である。

チャームと反チャームクォークの結合状態であるJ/ψは、1974年の発見以来その性質が実験的にも理論的にも調べられ標準理論の確立に大きな役割を果たしてきた。近年BES-II実験では約6000万の」/ψレゾナンス事象を記録し、それを基に新しい世代の研究がおこなわれている。J/ψからバリオン反バリオン対を生成する過程は主に3-グルーオン崩壊を通して起こると考えられる。この崩壊幅を摂動QCDで計算する試みは、古くはBrodsky and Lepage(1981)の計算や、新しいBolz and Kro11(1998)の計算がある。これらをテストするためには、いろいろな種類のバリオン対分岐比の精密なデータが必要である。陽子やA、Σなどは信号がはっきりしていて測定が容易なので良いデータがあるが、SU(3)decupletバリオンのひとつであるΔ(1232)については、その幅が広いことなどの理由でバックグラウンドとの区別が難しく、既存の結果は1984年のMark-II実験の結果が唯一のものである。そこで、BES-II実験の持つ圧倒的に大量のJ/ψデータを用いて新しい高精度の測定に挑戦したのがこの研究である。

この測定の特徴は「モデルによらない解析」である。Δ++Δ--事象を選ぶには、pπ+pπ-事象を集めて、pπ+およびpπ-の質量が共にΔ(1232)のものであることを見ればよいが、Δは幅が大変広いので鋭いピークにならない。バックグラウンド、例えばΔpπやpπpπなど、を正確に評価する理論的予想もない。また、これらの過程の角度分布も良くわかっていないので、アクセプタンスや検出効率の正確な評価も難しい。そこでこの解析では、信号やバックグラウンドの質量分布について尤もで最低限の仮定(Breit-Wigner、phase space)を置き、その分布をMonte CarIo simulationで生成し、それらをWeight付きで足し合せたものをデータと比べた。そしてデータとの一致が最もよくなるWeightをLikelihoodfitで求めた。この方法が成り立つためには、必要なバックグラウンドを全て網羅する必要がある。この論文では、pπシステムだけでなく、pππなどの質量分布も詳しく調べ、3種類のN*レゾナンスをバックグラウンドとして考慮する必要があることを確認した。信号やバックグラウンドの角度分布が不明なことに対応するためΔ++の角度にしたがってデータを6つの独立なサンプルに分けて上記の解析をおこない、Δ++Δ--の角度分布を求めた。そして、最後にその分布を全立体角に外挿して積分することによりJ/ψ→Δ++Δ--の分岐比を、ほとんどモデルによらずに求めた。系統誤差もていねいに分析されている。この結果は、J/ψ→Δ++Δ--崩壊分岐比のデータを更新するインプットになると考えられる。

この結果を上記の理論予想(Bolz-Kroll)と比較すると2-3σずれている。(誤差の大きい)Mark-IIの結果はこの理論予想とコンシステントであったが、この新しい結果は、理論の中の少々任意性のあるいくつかのパラメータの変更を要求するものであると考えられる。

BES-II実験は国際collborationによる実験であるが、この解析はその最初から最後まで論文提出者ひとりの手で行われたものである。特に、Likelihood fitを構築する過程で多くの工夫と努力のあとがうかがわれる。この論文の内容は、審査員全員十分納得する研究結果であり、論文提出者の物理学の知識も博士(理学)を受けるに十分である。したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。