Authors:	Stanischesk Molnar, Daniel Alberto
Title:	The Role of Exotic Mesons and Final State Interactions in e+e− Collisions
Online publication date:	7-Jul-2022
Year of first publication:	2022
Language:	english
Abstract:	In recent years, a plethora of new resonances has been discovered in the charmonium region, which cannot be interpreted in a simple quark model picture as states consisting of a charm quark and an anti-charm quark. A study of the reaction dynamics through which such states are produced is crucial to understand the intrinsic properties of these exotic resonances and for shedding light on their nature. A powerful non-perturbative tool to analyze hadronic processes is the dispersive formalism, which is based on the fundamental physical principles of causality, crossing symmetry and unitarity of the S-matrix. In this thesis we apply this formalism to investigate three reactions in which charged exotic mesons were observed by the BESIII Collaboration. We account for these exotic mesons explicitly as intermediate states in the process and incorporate final state interactions (FSI) through a Muskhelishvili-Omnès approach in order to provide a physical description of the experimental data. \newline First, we study the process $e^+ e^- \to \psi(2S) \, \pi^+ \pi^-$ at four different electron-positron center of mass energies $q$ for which data exists. For this reaction, the $\pi\pi$-FSI can be accounted for through a single channel formalism. We observe a distinct behavior for each energy, indicating a change of the underlying physical process. For the lowest energies $q=4.226$ GeV and $q=4.258$ GeV, considering the $Z_c(3900)$ as the intermediate state is essential to describe the invariant mass distributions. In contrast, at $q=4.358$ GeV, there is no evidence of any intermediate states and the line shape of the data can be described with good precision using only the $\pi\pi$-FSI. For the highest energy $q=4.416$ GeV, a new heavier state is necessary to describe the experimental data. After performing a scan search we find that a charged intermediate state with mass $4.016(4)$ GeV and width $52(10)$ MeV provides the best description of the peaks in the $\psi(2S) \pi^\pm$ mass distribution. We observe that the $\pi\pi$-FSI is essential to explain the $\pi^+ \pi^-$ invariant mass distribution for all energies. \newline We next extend the formalism to a $\pi\pi / K \bar{K}$ coupled-channel FSI and consider the $Z_c(3900)$ as the intermediate state, in order to investigate the process $e^+ e^- \to J/\psi \, \pi^+ \pi^-$ at $q=4.23$ GeV and $q=4.26$ GeV. Since the phase space for this reaction is much larger, we need to consider the $\pi\pi$ and $K\bar{K}$ rescattering simultaneously. The formalism not only allows to describe the $J/\psi \pi^\pm$ and $\pi^+ \pi^-$ invariant mass distributions very well, but also predicts the $J/\psi K$ and $K \bar{K}$ line shapes. Furthermore, we also use the formalism to predict the angular distributions of $J/\psi$ and $Z_c(3900)$. \newline For the third process $e^+ e^- \to h_c \, \pi^+ \pi^-$, studied at $q=4.23$ GeV and $q=4.26$ GeV, we account for a relative angular momentum between the pion-pair and $h_c$. Furthermore, we also consider explicitly the charged exotic meson $Z_c(4020)$ as an intermediate state and investigate scenarios with and without including the $Z_c(3900)$. Assuming the $Z_c(4020)$ as an axial-vector, we predict the angular distributions of $h_c$. In den letzten Jahren wurde in der Charmonium-Region eine Fülle neuer Resonanzen entdeckt, die sich in einem einfachen Quark-Modell nicht als Zustände interpretieren lassen, die aus einem Charm-Quark und einem Anti-Charm-Quark zusammen gesetzt sind. Eine Untersuchung der Reaktionsdynamik, durch die solche Zustände erzeugt werden, ist entscheidend, um die intrinsischen Eigenschaften dieser exotischen Resonanzen zu verstehen und ihre Natur zu ergründen. Eine machtvolle, nicht-perturbative Methode zur Analyse hadronischer Prozesse ist der dispersive Formalismus, der auf den grundlegenden physikalischen Prinzipien der Kausalität, Crossingsymmetrie und Unitarität der S-Matrix basiert. In dieser Arbeit wenden wir diesen Formalismus an, um drei Reaktionen zu untersuchen, in denen geladene exotische Zustände von der BESIII-Kollaboration beobachtet wurden. Wir berücksichtigen diese exotische Zustände explizit als Zwischenzustände in den Prozessen und beziehen die Endzustandswechselwirkung (EZW) durch einen Muskhelishvili-Omnès-Ansatz ein, um eine physikalische Beschreibung der experimentellen Daten zu erlangen.\newline Zuerst untersuchen wir den Prozess $e^+ e^- \to \psi(2S) \, \pi^+ \pi^-$ bei vier verschiedenen Elektron-Positron-Massenschwerpunktsenergien $q$, für die Daten vorliegen. Für diese Reaktion kann die $\pi\pi$-EZW in einem Einkanalformalismus berücksichtigt werden. Wir beobachten für jede Energie ein bestimmtes Verhalten, was auf eine Veränderung durch den zugrunde liegenden physikalischen Prozess hinweist. Für die niedrigsten Energien $q=4.226$ GeV und $q=4.258$ GeV ist die Berücksichtigung von $Z_c(3900)$ als Zwischenzustand wesentlich, um die invarianten Massenverteilungen zu beschreiben. Im Gegensatz dazu gibt es bei $q=4.358$ GeV keine Hinweise auf irgendwelche Zwischenzustände und die Daten können mit guter Genauigkeit nur mit dem $\pi\pi$-EZW beschrieben werden. Für die höchste Energie $q=4.416$ GeV ist ein neuer, schwererer Zustand notwendig, um die experimentellen Daten zu beschreiben. Nach der Suche mittels eines Scanverfahrens stellen wir fest, dass ein geladener Zwischenzustand mit einer Masse $4.016(4)$ GeV und einer Breite von $52(10)$ MeV die beste Beschreibung der Peaks in der Massenverteilung von $\psi(2S) \pi^\pm$ liefert. Wir beobachten, dass die $\pi\pi$-EZW wesentlich ist, um die $\pi^+ \pi^-$ invariante Massenverteilung für alle Energien zu erklären.\newline Als nächstes erweitern wir den Formalismus zu einem $\pi\pi / K \bar{K}$ Zweikanalformalismus und betrachten $Z_c(3900)$ als Zwischenzustand, um den Prozess $e^+ e^- \to J/\psi \, \pi^+ \pi^-$ bei einer Energie von $q=4.23$ GeV und $q=4.26$ GeV zu untersuchen. Da der Phasenraum für diese Reaktion viel größer ist, müssen wir die Rückstreuung von $\pi\pi$ und $K\bar{K}$ gleichzeitig berücksichtigen. Der Formalismus erlaubt nicht nur die $J/\psi \pi^\pm$ und $\pi^+ \pi^-$ invarianten Massenverteilungen sehr gut zu beschreiben, sondern kann auch die Massenverteilungen für $J/\psi K$ und $K \bar{K}$ voraussagen. Außerdem verwenden wir den Formalismus, um die Winkelabhängigkeit von $J/\psi$ und $Z_c(3900)$ vorherzusagen.\newline Für den dritten Prozess $e^+ e^- \to h_c \, \pi^+ \pi^-$, untersucht für die Energien $q=4.23$ GeV und $q=4.26$ GeV, berücksichtigen wir einen relativen Drehimpuls zwischen dem Pionenpaar und $h_c$. Außerdem betrachten wir explizit das geladene exotische Meson $Z_c(4020)$ als Zwischenzustand und untersuchen Szenarien mit und ohne den Zustand $Z_c(3900)$. Unter der Annahme, dass $Z_c(4020)$ ein axialer Vektor ist, sagen wir die Winkelabhängigkeit von $h_c$ voraus.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-7234
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-a0f00dbd-3cca-47b4-8c19-08c7c6c3351f3
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	143, 5 Seiten, Illustrationen
Appears in collections:	JGU-Publikationen