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U.S. Department of Energy
Office of Scientific and Technical Information

Observation of the χb1 (3P) and χb2 (3P) and Measurement of their Masses

Journal Article · · Physical Review Letters
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The $$\chi_\mathrm{b1}$$(3P) and $$\chi_\mathrm{b2}$$(3P) states are observed through their $$\Upsilon$$(3S) $$\gamma$$ decays, using an event sample of proton-proton collisions collected by the CMS experiment at the CERN LHC. The data were collected at a center-of-mass energy of 13 TeV and correspond to an integrated luminosity of 80.0 fb$$^{-1}$$. The $$\Upsilon$$(3S) mesons are identified through their dimuon decay channel, while the low-energy photons are detected after converting to e$^+$$e$$^-$ pairs in the silicon tracker, leading to a $$\chi_\mathrm{b}$$(3P) mass resolution of 2.2 MeV. This is the first time that the $J =$ 1 and 2 states are well resolved and their masses individually measured: 10$$\,$$513.42 $$\pm$$ 0.41 (stat) $$\pm$$ 0.18 (syst) MeV and 10$$\,$$524.02 $$\pm$$ 0.57 (stat) $$\pm$$ 0.18 (syst) MeV; they are determined with respect to the world-average value of the $$\Upsilon$$(3S) mass, which has an uncertainty of 0.5 MeV. As a result, the mass splitting is measured to be 10.60 $$\pm$$ 0.64 (stat) $$\pm$$ 0.17 (syst) MeV.
Research Organization:
Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL (United States); Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Livermore, CA (United States)
Sponsoring Organization:
USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP) (SC-25)
Contributing Organization:
CMS Collaboration
Grant/Contract Number:
AC02-07CH11359
OSTI ID:
1452827
Report Number(s):
CERN-EP--2018-134; CMS-BPH--17-008; FERMILAB-PUB--18-250-CMS; arXiv:1805.11192; 1675256
Journal Information:
Physical Review Letters, Journal Name: Physical Review Letters Journal Issue: 9 Vol. 121; ISSN 0031-9007; ISSN PRLTAO
Publisher:
American Physical Society (APS)Copyright Statement
Country of Publication:
United States
Language:
English

References (64)

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Fragmentation, factorization and infrared poles in heavy quarkonium production journal April 2005
Measurement of the production cross section ratio σ(χb2(1P))/σ(χb1(1P)) in pp collisions at s = 8   TeV journal April 2015
Quarkonium production at the LHC: A data-driven analysis of remarkably simple experimental patterns journal October 2017
Multiquark resonances journal January 2017
A new hadron spectroscopy conference January 2016
Bottomonium Spectrum with Screened Potential journal October 2009
Properties of bottomonium in a semi-relativistic model journal February 2013
Bottomonium states versus recent experimental observations in the QCD-inspired potential model journal August 2013
Review of Particle Physics journal October 2016
The CMS trigger system journal January 2017
The CMS experiment at the CERN LHC journal August 2008
Rigorous QCD analysis of inclusive annihilation and production of heavy quarkonium journal February 1995
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Charmonium levels near threshold and the narrow state X ( 3872 ) → π + π − J / ψ journal May 2004
Fragmentation, nonrelativistic QCD, and NNLO factorization analysis in heavy quarkonium production journal December 2005
New states above charm threshold journal January 2006
Erratum: New states above charm threshold [Phys. Rev. D 73 , 014014 (2006)] journal April 2006
Nonrelativistic QCD factorization and the velocity dependence of NNLO poles in heavy quarkonium production journal October 2006
Observation of a narrow mass state decaying into Υ ( 1 S ) + γ in p p ¯ collisions at s = 1.96     TeV journal August 2012
χ b ( 3 P ) splitting predictions in potential models journal November 2012
Quark structure of the X ( 3872 ) and χ b ( 3 P ) resonances journal September 2014
Higher mass bottomonia journal November 2014
X ( 3872 ) , X b , and the χ b 1 ( 3 P ) state journal January 2015
Bottomonium mesons and strategies for their observation journal September 2015
Fragmentation contributions to hadroproduction of prompt J / ψ , χ c J , and ψ ( 2 S ) states journal February 2016
Bottomonium spectrum revisited journal April 2016
Coupled-channel effects for the bottomonium with realistic wave functions journal August 2016
Spectrum and electromagnetic transitions of bottomonium journal April 2017
Observation of a New χ b State in Radiative Transitions to Υ ( 1 S ) and Υ ( 2 S ) at ATLAS journal April 2012
Observation of a Narrow Charmoniumlike State in Exclusive B ± → K ± π + π − J / ψ Decays journal December 2003
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Heavy quarkonium: progress, puzzles, and opportunities journal February 2011
Bottomonium spectrum with coupled-channel effects journal April 2012
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QCD and strongly coupled gauge theories: challenges and perspectives journal October 2014
Study of $$\upchi _{{\mathrm {b}}}$$ χ b meson production in $$\mathrm {p} $$ p $$\mathrm {p} $$ p collisions at $$\sqrt{s}=7$$ s = 7 and $$8{\mathrm {\,TeV}} $$ 8 TeV and observation of the decay $$\upchi _{{\mathrm {b}}}\mathrm {(3P)} \rightarrow \Upsilon \mathrm {(3S)} {\upgamma } $$ χ b ( 3 P ) → Υ ( 3 S ) γ journal October 2014
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Bottomonium states versus recent experimental observations in the QCD-inspired potential model preprint January 2013
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Cited By (8)

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Precise Predictions of Charmed-Bottom Hadrons from Lattice QCD journal November 2018
Highlights from the Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment text January 2019
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