Study of $\eta \to {\pi }^{+}{\pi }^{-}{l}^{+}{l}^{-}$

Journal Article · Fri Apr 11 00:00:00 UTC 2025 · Physical Review. D.

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.111.072008 · OSTI ID:2555922

Ablikim, M.; Achasov, M. N.; Adlarson, P.; Afedulidis, O.; Ai, X. C.; Aliberti, R.; Amoroso, A.; An, Q.; Bai, Y.; Bakina, O.; Balossino, I.; Ban, Y.; Bao, H. -R.; Batozskaya, V.; Begzsuren, K.; Berger, N.; Berlowski, M.; Bertani, M.; Bettoni, D.; Bianchi, F. ; Bianco, E.; Bortone, A.; Boyko, I.; Briere, R. A.; Brueggemann, A.; Cai, H.; Cai, X.; Calcaterra, A.; Cao, G. F.; Cao, N.; Cetin, S. A.; Chang, J. F.; Che, G. R.; Chelkov, G.; Chen, C.; Chen, C. H.; Chen, Chao; Chen, G.; Chen, H. S.; Chen, H. Y.; Chen, M. L.; Chen, S. J.; Chen, S. L.; Chen, S. M.; Chen, T.; Chen, X. R.; Chen, X. T.; Chen, Y. B.; Chen, Y. Q.; Chen, Z. J.; Chen, Z. Y.; Choi, S. K.; Cibinetto, G.; Cossio, F.; Cui, J. J.; Dai, H. L.; Dai, J. P.; Dbeyssi, A.; de Boer, R. E.; Dedovich, D.; Deng, C. Q.; Deng, Z. Y.; Denig, A.; Denysenko, I.; Destefanis, M.; De Mori, F.; Ding, B.; Ding, X. X.; Ding, Y.; Ding, Y.; Dong, J.; Dong, L. Y.; Dong, M. Y.; Dong, X.; Du, M. C.; Du, S. X.; Duan, Y. Y.; Duan, Z. H.; Egorov, P.; Fan, Y. H.; Fang, J.; Fang, J.; Fang, S. S.; Fang, W. X.; Fang, Y.; Fang, Y. Q.; Farinelli, R.; Fava, L.; Feldbauer, F.; Felici, G.; Feng, C. Q.; Feng, J. H.; Feng, Y. T.; Fritsch, M.; Fu, C. D.; Fu, J. L.; Fu, Y. W.; Gao, H.; Gao, X. B.; Gao, Y. N.; Gao, Yang; Garbolino, S.; Garzia, I.; Ge, L.; Ge, P. T.; Ge, Z. W.; Geng, C.; Gersabeck, E. M.; Gilman, A.; Goetzen, K.; Gong, L.; Gong, W. X.; Gradl, W.; Gramigna, S.; Greco, M.; Gu, M. H.; Gu, Y. T.; Guan, C. Y.; Guo, A. Q.; Guo, L. B.; Guo, M. J.; Guo, R. P.; Guo, Y. P.; Guskov, A.; Gutierrez, J.; Han, K. L.; Han, T. T.; Hanisch, F.; Hao, X. Q.; Harris, F. A.; He, K. K.; He, K. L.; Heinsius, F. H.; Heinz, C. H.; Heng, Y. K.; Herold, C.; Holtmann, T.; Hong, P. C.; Hou, G. Y.; Hou, X. T.; Hou, Y. R.; Hou, Z. L.; Hu, B. Y.; Hu, H. M.; Hu, J. F.; Hu, S. L.; Hu, T.; Hu, Y.; Huang, G. S.; Huang, K. X.; Huang, L. Q.; Huang, X. T.; Huang, Y. P.; Huang, Y. S.; Hussain, T.; Hölzken, F.; Hüsken, N.; in der Wiesche, N.; Jackson, J.; Janchiv, S.; Jeong, J. H.; Ji, Q.; Ji, Q. P.; Ji, W.; Ji, X. B.; Ji, X. L.; Ji, Y. Y.; Jia, X. Q.; Jia, Z. K.; Jiang, D.; Jiang, H. B.; Jiang, P. C.; Jiang, S. S.; Jiang, T. J.; Jiang, X. S.; Jiang, Y.; Jiao, J. B.; Jiao, J. K.; Jiao, Z.; Jin, S.; Jin, Y.; Jing, M. Q.; Jing, X. M.; Johansson, T.; Kabana, S.; Kalantar-Nayestanaki, N.; Kang, X. L.; Kang, X. S.; Kavatsyuk, M.; Ke, B. C.; Khachatryan, V.; Khoukaz, A.; Kiuchi, R.; Kolcu, O. B.; Kopf, B.; Kuessner, M.; Kui, X.; Kumar, N.; Kupsc, A.; Kühn, W.; Lane, J. J.; Lavezzi, L.; Lei, T. T.; Lei, Z. H.; Lellmann, M.; Lenz, T.; Li, C.; Li, C.; Li, C. H.; Li, Cheng; Li, D. M.; Li, F.; Li, G.; Li, H. B.; Li, H. J.; Li, H. N.; Li, Hui; Li, J. R.; Li, J. S.; Li, K.; Li, L. J.; Li, L. K.; Li, Lei; Li, M. H.; Li, P. R.; Li, Q. M.; Li, Q. X.; Li, R.; Li, S. X.; Li, T.; Li, W. D.; Li, W. G.; Li, X.; Li, X. H.; Li, X. L.; Li, X. Y.; Li, X. Z.; Li, Y. G.; Li, Z. J.; Li, Z. Y.; Liang, C.; Liang, H.; Liang, H.; Liang, Y. F.; Liang, Y. T.; Liao, G. R.; Liao, Y. P.; Libby, J.; Limphirat, A.; Lin, C. C.; Lin, D. X.; Lin, T.; Liu, B. J.; Liu, B. X.; Liu, C.; Liu, C. X.; Liu, F.; Liu, F. H.; Liu, Feng; Liu, G. M.; Liu, H.; Liu, H. B.; Liu, H. H.; Liu, H. M.; Liu, Huihui; Liu, J. B.; Liu, J. Y.; Liu, K.; Liu, K. Y.; Liu, Ke; Liu, L.; Liu, L. C.; Liu, Lu; Liu, M. H.; Liu, P. L.; Liu, Q.; Liu, S. B.; Liu, T.; Liu, W. K.; Liu, W. M.; Liu, X.; Liu, X.; Liu, Y.; Liu, Y.; Liu, Y. B.; Liu, Z. A.; Liu, Z. D.; Liu, Z. Q.; Lou, X. C.; Lu, F. X.; Lu, H. J.; Lu, J. G.; Lu, X. L.; Lu, Y.; Lu, Y. P.; Lu, Z. H.; Luo, C. L.; Luo, J. R.; Luo, M. X.; Luo, T.; Luo, X. L.; Lyu, X. R.; Lyu, Y. F.; Ma, F. C.; Ma, H.; Ma, H. L.; Ma, J. L.; Ma, L. L.; Ma, L. R.; Ma, M. M.; Ma, Q. M.; Ma, R. Q.; Ma, T.; Ma, X. T.; Ma, X. Y.; Ma, Y.; Ma, Y. M.; Maas, F. E.; Maggiora, M.; Malde, S.; Mao, Y. J.; Mao, Z. P.; Marcello, S.; Meng, Z. X.; Messchendorp, J. G.; Mezzadri, G.; Miao, H.; Min, T. J.; Mitchell, R. E.; Mo, X. H.; Moses, B.; Muchnoi, N. Yu.; Muskalla, J.; Nefedov, Y.; Nerling, F.; Nie, L. S.; Nikolaev, I. B.; Ning, Z.; Nisar, S.; Niu, Q. L.; Niu, W. D.; Niu, Y.; Olsen, S. L.; Ouyang, Q.; Pacetti, S.; Pan, X.; Pan, Y.; Pathak, A.; Pei, Y. P.; Pelizaeus, M.; Peng, H. P.; Peng, Y. Y.; Peters, K.; Ping, J. L.; Ping, R. G.; Plura, S.; Prasad, V.; Qi, F. Z.; Qi, H.; Qi, H. R.; Qi, M.; Qi, T. Y.; Qian, S.; Qian, W. B.; Qiao, C. F.; Qiao, X. K.; Qin, J. J.; Qin, L. Q.; Qin, L. Y.; Qin, X. P.; Qin, X. S.; Qin, Z. H.; Qiu, J. F.; Qu, Z. H.; Redmer, C. F.; Ren, K. J.; Rivetti, A.; Rolo, M.; Rong, G.; Rosner, Ch.; Ruan, S. N.; Salone, N.; Sarantsev, A.; Schelhaas, Y.; Schoenning, K.; Scodeggio, M.; Shan, K. Y.; Shan, W.; Shan, X. Y.; Shang, Z. J.; Shangguan, J. F.; Shao, L. G.; Shao, M.; Shen, C. P.; Shen, H. F.; Shen, W. H.; Shen, X. Y.; Shi, B. A.; Shi, H.; Shi, H. C.; Shi, J. L.; Shi, J. Y.; Shi, Q. Q.; Shi, S. Y.; Shi, X.; Song, J. J.; Song, T. Z.; Song, W. M.; Song, Y. J.; Song, Y. X.; Sosio, S.; Spataro, S.; Stieler, F.; Su, Y. J.; Sun, G. B.; Sun, G. X.; Sun, H.; Sun, H. K.; Sun, J. F.; Sun, K.; Sun, L.; Sun, S. S.; Sun, T.; Sun, W. Y.; Sun, Y.; Sun, Y. J.; Sun, Y. Z.; Sun, Z. Q.; Sun, Z. T.; Tang, C. J.; Tang, G. Y.; Tang, J.; Tang, M.; Tang, Y. A.; Tao, L. Y.; Tao, Q. T.; Tat, M.; Teng, J. X.; Thoren, V.; Tian, W. H.; Tian, Y.; Tian, Z. F.; Uman, I.; Wan, Y.; Wang, S. J.; Wang, B.; Wang, B. L.; Wang, Bo; Wang, D. Y.; Wang, F.; Wang, H. J.; Wang, J. J.; Wang, J. P.; Wang, K.; Wang, L. L.; Wang, M.; Wang, N. Y.; Wang, S.; Wang, S.; Wang, T.; Wang, T. J.; Wang, W.; Wang, W.; Wang, W. P.; Wang, W. P.; Wang, X.; Wang, X. F.; Wang, X. J.; Wang, X. L.; Wang, X. N.; Wang, Y.; Wang, Y. D.; Wang, Y. F.; Wang, Y. L.; Wang, Y. N.; Wang, Y. Q.; Wang, Yaqian; Wang, Yi; Wang, Z.; Wang, Z. L.; Wang, Z. Y.; Wang, Ziyi; Wei, D. H.; Weidner, F.; Wen, S. P.; Wen, Y. R.; Wiedner, U.; Wilkinson, G.; Wolke, M.; Wollenberg, L.; Wu, C.; Wu, J. F.; Wu, L. H.; Wu, L. J.; Wu, X.; Wu, X. H.; Wu, Y.; Wu, Y. H.; Wu, Y. J.; Wu, Z.; Xia, L.; Xian, X. M.; Xiang, B. H.; Xiang, T.; Xiao, D.; Xiao, G. Y.; Xiao, S. Y.; Xiao, Y. L.; Xiao, Z. J.; Xie, C.; Xie, X. H.; Xie, Y.; Xie, Y. G.; Xie, Y. H.; Xie, Z. P.; Xing, T. Y.; Xu, C. F.; Xu, C. J.; Xu, G. F.; Xu, H. Y.; Xu, M.; Xu, Q. J.; Xu, Q. N.; Xu, W.; Xu, W. L.; Xu, X. P.; Xu, Y. C.; Xu, Z. S.; Yan, F.; Yan, L.; Yan, W. B.; Yan, W. C.; Yan, X. Q.; Yang, H. J.; Yang, H. L.; Yang, H. X.; Yang, T.; Yang, Y.; Yang, Y. F.; Yang, Y. F.; Yang, Y. X.; Yang, Z. W.; Yao, Z. P.; Ye, M.; Ye, M. H.; Yin, J. H.; Yin, Junhao; You, Z. Y.; Yu, B. X.; Yu, C. X.; Yu, G.; Yu, J. S.; Yu, T.; Yu, X. D.; Yu, Y. C.; Yuan, C. Z.; Yuan, J.; Yuan, J.; Yuan, L.; Yuan, S. C.; Yuan, Y.; Yuan, Z. Y.; Yue, C. X.; Zafar, A. A.; Zeng, F. R.; Zeng, S. H.; Zeng, X.; Zeng, Y.; Zeng, Y. J.; Zeng, Y. J.; Zhai, X. Y.; Zhai, Y. C.; Zhan, Y. H.; Zhang, A. Q.; Zhang, B. L.; Zhang, B. X.; Zhang, D. H.; Zhang, G. Y.; Zhang, H.; Zhang, H.; Zhang, H. C.; Zhang, H. H.; Zhang, H. H.; Zhang, H. Q.; Zhang, H. R.; Zhang, H. Y.; Zhang, J.; Zhang, J.; Zhang, J. J.; Zhang, J. L.; Zhang, J. Q.; Zhang, J. S.; Zhang, J. W.; Zhang, J. X.; Zhang, J. Y.; Zhang, J. Z.; Zhang, Jianyu; Zhang, L. M.; Zhang, Lei; Zhang, P.; Zhang, Q. Y.; Zhang, R. Y.; Zhang, S. H.; Zhang, Shulei; Zhang, X. D.; Zhang, X. M.; Zhang, X. Y.; Zhang, Y.; Zhang, Y.; Zhang, Y. T.; Zhang, Y. H.; Zhang, Y. M.; Zhang, Yan; Zhang, Z. D.; Zhang, Z. H.; Zhang, Z. L.; Zhang, Z. Y.; Zhang, Z. Y.; Zhang, Z. Z.; Zhao, G.; Zhao, J. Y.; Zhao, J. Z.; Zhao, L.; Zhao, Lei; Zhao, M. G.; Zhao, N.; Zhao, R. P.; Zhao, S. J.; Zhao, Y. B.; Zhao, Y. X.; Zhao, Z. G.; Zhemchugov, A.; Zheng, B.; Zheng, B. M.; Zheng, J. P.; Zheng, W. J.; Zheng, Y. H.; Zhong, B.; Zhong, X.; Zhou, H.; Zhou, J. Y.; Zhou, L. P.; Zhou, S.; Zhou, X.; Zhou, X. K.; Zhou, X. R.; Zhou, X. Y.; Zhou, Y. Z.; Zhu, A. N.; Zhu, J.; Zhu, K.; Zhu, K. J.; Zhu, K. S.; Zhu, L.; Zhu, L. X.; Zhu, S. H.; Zhu, T. J.; Zhu, W. D.; Zhu, Y. C.; Zhu, Z. A.; Zou, J. H.; Zu, J.

Using a sample of $(10087\pm 44)\times {10}^{6}J/\psi$ events accumulated with the BESIII detector, we analyze the decays $\eta \to {\pi }^{+}{\pi }^{-}{l}^{+}{l}^{-}$ ( $l=e$ or $\mu$ ) via the process $J/\psi \to \gamma \eta$ . The branching fraction of $\eta \to {\pi }^{+}{\pi }^{-}{e}^{+}{e}^{-}$ is measured to be $\mathcal{B}(\eta \to {\pi }^{+}{\pi }^{-}{e}^{+}{e}^{-})=(3.07\pm 0.12_{\mathrm{stat}}\pm 0.19_{\mathrm{syst}})\times {10}^{-4}$ . No signal events are observed for the $\eta \to {\pi }^{+}{\pi }^{-}{\mu }^{+}{\mu }^{-}$ decay, leading to an upper limit on the branching fraction of $\mathcal{B}(\eta \to {\pi }^{+}{\pi }^{-}{\mu }^{+}{\mu }^{-})<4.0\times {10}^{-7}$ at the 90% confidence level. Furthermore, the $CP$ -violation asymmetry parameter is found to be ${\mathcal{A}}_{CP}(\eta \to {\pi }^{+}{\pi }^{-}{e}^{+}{e}^{-})=(-4.04\pm 4.69_{\mathrm{stat}}\pm 0.14_{\mathrm{syst}})\%$ , showing no evidence of $CP$ -violation with current statistics. Additionally, we extract the transition form factor from the decay amplitude of $\eta \to {\pi }^{+}{\pi }^{-}{e}^{+}{e}^{-}$ . Finally, axionlike particles are searched for via the decay $\eta \to {\pi }^{+}{\pi }^{-}a,a\to e^{+}{e}^{-}$ , and upper limits on this branching fraction relative to that of $\eta \to {\pi }^{+}{\pi }^{-}{e}^{+}{e}^{-}$ are presented as a function of the axionlike particle mass in the range $5–200\mathrm{MeV}/c^2$ . Published by the American Physical Society 2025

• Sponsoring Organization: USDOE
• Grant/Contract Number: FG02-05ER41374
• OSTI ID: 2555922
• Journal Information: Physical Review. D., Journal Name: Physical Review. D. Journal Issue: 7 Vol. 111; ISSN PRVDAQ; ISSN 2470-0010
• Publisher: American Physical SocietyCopyright Statement
• Country of Publication: United States
• Language: English