Observation of $e^+e^-\toηΥ(2S)$ and search for $e^+e^-\toηΥ(1S),~γX_b$ at $\sqrt{s}$ near 10.75 GeV
Belle II Collaboration, I. Adachi, L. Aggarwal, H. Ahmed, Y. Ahn, H. Aihara, N. Akopov, S. Alghamdi, M. Alhakami, A. Aloisio, N. Althubiti, K. Amos, M. Angelsmark, N. Anh Ky, C. Antonioli, D. M. Asner, H. Atmacan, T. Aushev, V. Aushev, M. Aversano, R. Ayad, V. Babu, H. Bae, N. K. Baghel, S. Bahinipati, P. Bambade, Sw. Banerjee, S. Bansal, M. Barrett, M. Bartl, J. Baudot, A. Baur, A. Beaubien, F. Becherer, J. Becker, J. V. Bennett, F. U. Bernlochner, V. Bertacchi, M. Bertemes, E. Bertholet, M. Bessner, S. Bettarini, V. Bhardwaj, B. Bhuyan, F. Bianchi, T. Bilka, D. Biswas, A. Bobrov, D. Bodrov, A. Bondar, G. Bonvicini, A. Boschetti, A. Bozek, M. Bračko, P. Branchini, R. A. Briere, T. E. Browder, A. Budano, S. Bussino, Q. Campagna, L. Cao, G. Casarosa, C. Cecchi, M. -C. Chang, P. Cheema, L. Chen, B. G. Cheon, C. Cheshta, H. Chetri, K. Chilikin, J. Chin, K. Chirapatpimol, H. -E. Cho, K. Cho, S. -J. Cho, S. -K. Choi, S. Choudhury, J. A. Colorado-Caicedo, I. Consigny, L. Corona, J. X. Cui, E. De La Cruz-Burelo, S. A. De La Motte, G. de Marino, G. De Nardo, G. De Pietro, R. de Sangro, M. Destefanis, S. Dey, A. Di Canto, J. Dingfelder, Z. Doležal, I. Domínguez Jiménez, T. V. Dong, X. Dong, M. Dorigo, K. Dugic, G. Dujany, P. Ecker, D. Epifanov, J. Eppelt, R. Farkas, P. Feichtinger, T. Ferber, T. Fillinger, C. Finck, G. Finocchiaro, F. Forti, A. Frey, B. G. Fulsom, A. Gabrielli, A. Gale, E. Ganiev, M. Garcia-Hernandez, R. Garg, G. Gaudino, V. Gaur, V. Gautam, A. Gaz, A. Gellrich, G. Ghevondyan, D. Ghosh, H. Ghumaryan, G. Giakoustidis, R. Giordano, A. Giri, P. Gironella Gironell, B. Gobbo, R. Godang, O. Gogota, P. Goldenzweig, W. Gradl, E. Graziani, D. Greenwald, Y. Guan, K. Gudkova, I. Haide, Y. Han, C. Harris, H. Hayashii, S. Hazra, C. Hearty, M. T. Hedges, A. Heidelbach, G. Heine, I. Heredia de la Cruz, M. Hernández Villanueva, T. Higuchi, M. Hoek, M. Hohmann, R. Hoppe, P. Horak, X. T. Hou, C. -L. Hsu, T. Humair, T. Iijima, K. Inami, G. Inguglia, N. Ipsita, A. Ishikawa, R. Itoh, M. Iwasaki, P. Jackson, D. Jacobi, W. W. Jacobs, E. -J. Jang, Q. P. Ji, S. Jia, Y. Jin, A. Johnson, K. K. Joo, J. Kandra, K. H. Kang, G. Karyan, T. Kawasaki, F. Keil, C. Ketter, C. Kiesling, C. -H. Kim, D. Y. Kim, J. -Y. Kim, K. -H. Kim, Y. -K. Kim, H. Kindo, K. Kinoshita, P. Kodyš, T. Koga, S. Kohani, K. Kojima, A. Korobov, S. Korpar, E. Kovalenko, R. Kowalewski, P. Križan, P. Krokovny, T. Kuhr, Y. Kulii, D. Kumar, K. Kumara, T. Kunigo, A. Kuzmin, Y. -J. Kwon, S. Lacaprara, K. Lalwani, T. Lam, L. Lanceri, J. S. Lange, T. S. Lau, M. Laurenza, R. Leboucher, F. R. Le Diberder, H. Lee, M. J. Lee, C. Lemettais, P. Leo, P. M. Lewis, C. Li, H. -J. Li, L. K. Li, Q. M. Li, S. X. Li, W. Z. Li, Y. Li, Y. B. Li, Y. P. Liao, J. Libby, J. Lin, M. H. Liu, Q. Y. Liu, Z. Liu, D. Liventsev, S. Longo, T. Lueck, C. Lyu, J. L. Ma, Y. Ma, M. Maggiora, S. P. Maharana, R. Maiti, G. Mancinelli, R. Manfredi, E. Manoni, M. Mantovano, D. Marcantonio, S. Marcello, C. Marinas, C. Martellini, A. Martens, T. Martinov, L. Massaccesi, M. Masuda, T. Matsuda, D. Matvienko, S. K. Maurya, M. Maushart, J. A. McKenna, Z. Mediankin Gruberová, R. Mehta, F. Meier, D. Meleshko, M. Merola, C. Miller, M. Mirra, S. Mitra, K. Miyabayashi, H. Miyake, R. Mizuk, G. B. Mohanty, S. Mondal, S. Moneta, A. L. Moreira de Carvalho, H. -G. Moser, H. Murakami, R. Mussa, I. Nakamura, M. Nakao, Y. Nakazawa, M. Naruki, Z. Natkaniec, A. Natochii, M. Nayak, G. Nazaryan, M. Neu, S. Nishida, R. Nomaru, S. Ogawa, R. Okubo, H. Ono, Y. Onuki, G. Pakhlova, A. Panta, S. Pardi, K. Parham, H. Park, J. Park, S. -H. Park, B. Paschen, A. Passeri, S. Patra, S. Paul, T. K. Pedlar, I. Peruzzi, R. Pestotnik, M. Piccolo, L. E. Piilonen, P. L. M. Podesta-Lerma, T. Podobnik, A. Prakash, C. Praz, S. Prell, E. Prencipe, M. T. Prim, S. Privalov, I. Prudiiev, H. Purwar, P. Rados, G. Raeuber, S. Raiz, V. Raj, K. Ravindran, J. U. Rehman, M. Reif, S. Reiter, M. Remnev, L. Reuter, D. Ricalde Herrmann, I. Ripp-Baudot, G. Rizzo, S. H. Robertson, J. M. Roney, A. Rostomyan, N. Rout, L. Salutari, D. A. Sanders, S. Sandilya, L. Santelj, C. Santos, V. Savinov, B. Scavino, M. Schnepf, C. Schwanda, Y. Seino, A. Selce, K. Senyo, J. Serrano, M. E. Sevior, C. Sfienti, W. Shan, G. Sharma, C. P. Shen, X. D. Shi, T. Shillington, T. Shimasaki, J. -G. Shiu, D. Shtol, B. Shwartz, A. Sibidanov, F. Simon, J. B. Singh, J. Skorupa, R. J. Sobie, M. Sobotzik, A. Soffer, A. Sokolov, E. Solovieva, S. Spataro, B. Spruck, M. Starič, P. Stavroulakis, S. Stefkova, L. Stoetzer, R. Stroili, M. Sumihama, N. Suwonjandee, H. Svidras, M. Takahashi, M. Takizawa, U. Tamponi, S. Tanaka, S. S. Tang, K. Tanida, F. Tenchini, F. Testa, A. Thaller, T. Tien Manh, O. Tittel, R. Tiwary, E. Torassa, K. Trabelsi, F. F. Trantou, I. Tsaklidis, M. Uchida, I. Ueda, T. Uglov, K. Unger, Y. Unno, K. Uno, S. Uno, P. Urquijo, Y. Ushiroda, S. E. Vahsen, R. van Tonder, K. E. Varvell, M. Veronesi, V. S. Vismaya, L. Vitale, V. Vobbilisetti, R. Volpe, M. Wakai, S. Wallner, M. -Z. Wang, X. L. Wang, Z. Wang, A. Warburton, S. Watanuki, C. Wessel, E. Won, X. P. Xu, B. D. Yabsley, S. Yamada, W. Yan, S. B. Yang, J. Yelton, K. Yi, J. H. Yin, K. Yoshihara, C. Z. Yuan, J. Yuan, Y. Yusa, L. Zani, F. Zeng, M. Zeyrek, B. Zhang, V. Zhilich, J. S. Zhou, Q. D. Zhou, L. Zhu, R. Žlebčík
TL;DR
This Belle II study searches for hadronic transitions and exotic bottomonium-like states in $e^+e^-$ collisions near 10.65–10.81 GeV. It reports a robust observation of $e^+e^- o ηΥ(2S)$ with significance >$6σ$ and shows that a simple resonance-only interpretation involving $Υ(5S)$ or $Υ(10753)$ is disfavored, hinting at a possible new state near the $B^{*} ar{B}^{*}$ threshold or substantial continuum production; a three-resonance fit to the Born cross sections (including a near-threshold state) describes the data better than two-resonance hypotheses. No apparent signals are found for $e^+e^- o ηΥ(1S)$ or $e^+e^- o γX_b$, and upper limits are placed on their Born cross sections. The results, including a notable production-ratio behavior near the $B^{*} ar{B}^{*}$ threshold that challenges heavy-quark-spin symmetry, contribute to the understanding of bottomonium-like structures and motivate further energy scans in this region.
Abstract
We present an analysis of the processes $e^{+}e^{-}\toηΥ(1S)$, $ηΥ(2S)$, and $γX_b$ with $X_b\toπ^+π^-χ_{bJ},~χ_{bJ}\toγΥ(1S)$ $(J=1,~2)$ reconstructed from $γγπ^+π^-\ell^+\ell^-~(\ell=e,~μ)$ final states in $19.6\rm~\rm fb^{-1}$ of Belle II data collected at four energy points near the peak of the $Υ(10753)$ resonance. Here, $X_b$ is a hypothetical bottomonium-sector partner of the $X(3872)$. In the process $e^{+}e^{-} \to ηΥ(2S)$, we observe a signal with a significance that exceeds $6.0σ$. Based on an analysis of the Born cross-section, the hypothesis that these events are associated solely with the production of the $Υ(5S)$ or $Υ(10753)$ resonances is rejected at the level of 3.6$σ$. This suggests that the observed events are more likely to arise from a new state near the $B^{*}\bar{B}^{*}$ threshold or from a substantial continuum production. No significant signal is observed for $e^{+}e^{-}\toηΥ(1S)$ or $γX_b$. Upper limits on the Born cross sections for the processes $e^{+}e^{-}\toηΥ(1S)$ and $e^{+}e^{-}\toγX_b$ with $X_b\toπ^+π^-χ_{bJ}$ are determined.
