Study of Charmonium Production in b-Hadron Decays and First Evidence for the Decay B0s → ϕ ϕ ϕ

Aaij, R.; Adeva, B.; Adinolfi, M.; Ajaltouni, Z.; Akar, S.; Albrecht, J.; Alessio, F.; Alexander, M.; Ali, S.; Alkhazov, G.; Alvarez Cartelle, P.; Alves Jr, A. A.; Amato, S.; Amerio, S.; Amhis, Y.; An, L.; Anderlini, L.; Andreassi, G.; Andreotti, M.; Andrews, J. E.; Appleby, R. B.; Archilli, F.; D'Argent, P.; Arnau Romeu, J.; Artamonov, A.; Artuso, M.; Aslanides, E.; Auriemma, G.; Baalouch, M.; Babuschkin, I.; Bachmann, S.; Back, J. J.; Badalov, A.; Baesso, C.; Baker, S.; Balagura, V.; Baldini, W.; Baranov, A.; Barlow, R. J.; Barschel, C.; Barsuk, S.; Barter, W.; Baryshnikov, F.; Baszczyk, M.; Batozskaya, V.; Battista, V.; Bay, A.; Beaucourt, L.; Beddow, J.; Bedeschi, F.; Bediaga, I.; Beiter, A.; Bel, L. J.; Bellee, V.; Belloli, N.; Belous, K.; Belyaev, I.; Ben Haim, E.; Bencivenni, G.; Benson, S.; Beranek, S.; Berezhnoy, A.; Bernet, R.; Bertolin, A.; Betancourt, C.; Betti, Federico; Bettler, M. O.; Van Beuzekom, M.; Bezshyiko, I. A.; Bifani, S.; Billoir, P.; Birnkraut, A.; Bitadze, A.; Bizzeti, A.; Blake, T.; Blanc, F.; Blouw, J.; Blusk, S.; Bocci, V.; Boettcher, T.; Bondar, A.; Bondar, N.; Bonivento, W.; Bordyuzhin, I.; Borgheresi, A.; Borghi, S.; Borisyak, M.; Borsato, M.; Bossu, F.; Boubdir, M.; Bowcock, T. J. V.; Bowen, E.; Bozzi, C.; Braun, S.; Britton, T.; Brodzicka, J.; Buchanan, E.; Burr, C.; Bursche, A.; Buytaert, J.; Cadeddu, S.; Calabrese, R.; Calvi, M.; Calvo Gomez, M.; Camboni, A.; Campana, P.; Campora Perez, D. H.; Capriotti, L.; Carbone, Angelo; Carboni, G.; Cardinale, R.; Cardini, A.; Carniti, P.; Carson, L.; Carvalho Akiba, K.; Casse, G.; Cassina, L.; Castillo Garcia, L.; Cattaneo, M.; Cavallero, G.; Cenci, R.; Chamont, D.; Charles, M.; Charpentier, P. H.; Chatzikonstantinidis, G.; Chefdeville, M.; Chen, S.; Cheung, S. F.; Chobanova, V.; Chrzaszcz, M.; Chubykin, A.; Cid Vidal, X.; Ciezarek, G.; Clarke, P. E. L.; Clemencic, M.; Cliff, H. V.; Closier, J.; Coco, V.; Cogan, J.; Cogneras, E.; Cogoni, V.; Cojocariu, L.; Collins, P.; Comerma Montells, A.; Contu, A.; Cook, A.; Coombs, G.; Coquereau, S.; Corti, G.; Corvo, M.; Costa Sobral, C. M.; Couturier, B.; Cowan, G. A.; Craik, D. C.; Crocombe, A.; Cruz Torres, M.; Currie, R.; D'Ambrosio, C.; Da Cunha Marinho, F.; Dall'Occo, E.; Dalseno, J.; Davis, A.; De Bruyn, K.; De Capua, S.; De Cian, M.; De Miranda, J. M.; De Paula, L.; De Serio, M.; De Simone, P.; Dean, C. T.; Decamp, D.; Deckenhoff, M.; Del Buono, L.; Dembinski, H. P.; Demmer, M.; Dendek, A.; Derkach, D.; Deschamps, O.; Dettori, F.; Dey, B.; Di Canto, A.; Di Nezza, P.; Dijkstra, H.; Dordei, F.; Dorigo, M.; Dosil Suárez, A.; Dovbnya, A.; Dreimanis, K.; Dufour, L.; Dujany, G.; Dungs, K.; Durante, P.; Dzhelyadin, R.; Dziewiecki, M.; Dziurda, A.; Dzyuba, A.; Déléage, N.; Easo, S.; Ebert, M.; Egede, U.; Egorychev, V.; Eidelman, S.; Eisenhardt, S.; Eitschberger, U.; Ekelhof, R.; Eklund, L.; Ely, S.; Esen, S.; Evans, H. M.; Evans, T.; Falabella, A.; Farley, N.; Farry, S.; Fay, R.; Fazzini, D.; Ferguson, D.; Fernandez, G.; Fernandez Prieto, A.; Ferrari, Fabio; Ferreira Rodrigues, F.; Ferro Luzzi, M.; Filippov, S.; Fini, R. A.; Fiore, M.; Fiorini, M.; Firlej, M.; Fitzpatrick, C.; Fiutowski, T.; Fleuret, F.; Fohl, K.; Fontana, M.; Fontanelli, F.; Forshaw, D. C.; Forty, R.; Franco Lima, V.; Frank, M.; Frei, C.; Fu, J.; Funk, W.; Furfaro, E.; Färber, C.; Gallas Torreira, A.; Galli, Domenico; Gallorini, S.; Gambetta, S.; Gandelman, M.; Gandini, P.; Gao, Y.; Garcia Martin, L. M.; García Pardiñas, J.; Garra Tico, J.; Garrido, L.; Garsed, P. J.; Gascon, D.; Gaspar, C.; Gavardi, L.; Gazzoni, G.; Gerick, D.; Gersabeck, E.; Gersabeck, M.; Gershon, T.; Ghez, P. H.; Gianì, S.; Gibson, V.; Girard, O. G.; Giubega, L.; Gizdov, K.; Gligorov, V. V.; Golubkov, D.; Golutvin, A.; Gomes, A.; Gorelov, I. V.; Gotti, C.; Govorkova, E.; Graciani Diaz, R.; Granado Cardoso, L. A.; Graugés, E.; Graverini, E.; Graziani, G.; Grecu, A.; Greim, R.; Griffith, P.; Grillo, L.; Gruberg Cazon, B. R.; Grünberg, O.; Gushchin, E.; Guz, Y. U.; Gys, T.; Göbel, C.; Hadavizadeh, T.; Hadjivasiliou, C.; Haefeli, G.; Haen, C.; Haines, S. C.; Hamilton, B.; Han, X.; Hansmann Menzemer, S.; Harnew, N.; Harnew, S. T.; Harrison, J.; Hatch, M.; He, J.; Head, T.; Heister, A.; Hennessy, K.; Henrard, P.; Henry, L.; Van Herwijnen, E.; Heß, M.; Hicheur, A.; Hill, D.; Hombach, C.; Hopchev, P. H.; Huard, Z. C.; Hulsbergen, W.; Humair, T.; Hushchyn, M.; Hutchcroft, D.; Idzik, M.; Ilten, P.; Jacobsson, R.; Jalocha, J.; Jans, E.; Jawahery, A.; Jiang, F.; John, M.; Johnson, D.; Jones, C. R.; Joram, C.; Jost, B.; Jurik, N.; Kandybei, S.; Karacson, M.; Kariuki, J. M.; Karodia, S.; Kecke, M.; Kelsey, M.; Kenzie, M.; Ketel, T.; Khairullin, E.; Khanji, B.; Khurewathanakul, C.; Kirn, T.; Klaver, S.; Klimaszewski, K.; Klimkovich, T.; Koliiev, S.; Kolpin, M.; Komarov, I.; Kopecna, R.; Koppenburg, P.; Kosmyntseva, A.; Kotriakhova, S.; Kozeiha, M.; Kravchuk, L.; Kreps, M.; Krokovny, P.; Kruse, F.; Krzemien, W.; Kucewicz, W.; Kucharczyk, M.; Kudryavtsev, V.; Kuonen, A. K.; Kurek, K.; Kvaratskheliya, T.; Lacarrere, D.; Lafferty, G.; Lai, A.; Lanfranchi, G.; Langenbruch, C.; Latham, T.; Lazzeroni, C.; Le Gac, R.; Van Leerdam, J.; Leflat, A.; Lefrançois, J.; Lefèvre, R.; Lemaitre, F.; Lemos Cid, E.; Leroy, O.; Lesiak, T.; Leverington, B.; Li, T.; Li, Y.; Li, Z.; Likhomanenko, T.; Lindner, R.; Lionetto, F.; Liu, X.; Loh, D.; Longstaff, I.; Lopes, J. H.; Lucchesi, D.; Lucio Martinez, M.; Luo, H.; Lupato, A.; Luppi, E.; Lupton, O.; Lusiani, A.; Lyu, X.; Machefert, F.; Maciuc, F.; Maev, O.; Maguire, K.; Malde, S.; Malinin, A.; Maltsev, T.; Manca, G.; Mancinelli, G.; Manning, P.; Maratas, J.; Marchand, J. F.; Marconi, U.; Marin Benito, C.; Marinangeli, M.; Marino, P.; Marks, J.; Martellotti, G.; Martin, M.; Martinelli, M.; Martinez Santos, D.; Martinez Vidal, F.; Martins Tostes, D.; Massacrier, L. M.; Massafferri, A.; Matev, R.; Mathad, A.; Mathe, Z.; Matteuzzi, C.; Mauri, A.; Maurice, E.; Maurin, B.; Mazurov, A.; Mccann, M.; Mcnab, A.; Mcnulty, R.; Meadows, B.; Meier, F.; Melnychuk, D.; Merk, M.; Merli, A.; Michielin, E.; Milanes, D. A.; Minard, M. N.; Mitzel, D. S.; Mogini, A.; Molina Rodriguez, J.; Monroy, I. A.; Monteil, S.; Morandin, M.; Morello, M. J.; Morgunova, O.; Moron, J.; Morris, A. B.; Mountain, R.; Muheim, F.; Mulder, M.; Mussini, Manuel; Müller, D.; Müller, J.; Müller, K.; Müller, V.; Naik, P.; Nakada, T.; Nandakumar, R.; Nandi, A.; Nasteva, I.; Needham, M.; Neri, N.; Neubert, S.; Neufeld, N.; Neuner, M.; Nguyen, T. D.; Nguyen Mau, C.; Nieswand, S.; Niet, R.; Nikitin, N.; Nikodem, T.; Nogay, A.; Novoselov, A.; O'Hanlon, D. P.; Oblakowska Mucha, A.; Obraztsov, V.; Ogilvy, S.; Oldeman, R.; Onderwater, C. J. G.; Ossowska, A.; Otalora Goicochea, J. M.; Owen, P.; Oyanguren, A.; Pais, P. R.; Palano, A.; Palutan, M.; Papanestis, A.; Pappagallo, M.; Pappalardo, L. L.; Pappenheimer, C.; Parker, W.; Parkes, C.; Passaleva, G.; Pastore, A.; Patel, M.; Patrignani, Claudia; Pearce, A.; Pellegrino, A.; Penso, G.; Pepe Altarelli, M.; Perazzini, Stefano; Perret, P.; Pescatore, L.; Petridis, K.; Petrolini, A.; Petrov, A.; Petruzzo, M.; Picatoste Olloqui, E.; Pietrzyk, B.; Pikies, M.; Pinci, D.; Pistone, A.; Piucci, A.; Placinta, V.; Playfer, S.; Plo Casasus, M.; Poikela, T.; Polci, F.; Poli Lener, M.; Poluektov, A.; Polyakov, I.; Polycarpo, E.; Pomery, G. J.; Ponce, S.; Popov, A.; Popov, D.; Popovici, B.; Poslavskii, S.; Potterat, C.; Price, E.; Prisciandaro, J.; Prouve, C.; Pugatch, V.; Puig Navarro, A.; Punzi, G.; Qian, W.; Quagliani, R.; Rachwal, B.; Rademacker, J. H.; Rama, M.; Ramos Pernas, M.; Rangel, M. S.; Raniuk, I.; Ratnikov, F.; Raven, G.; Redi, F.; Reichert, S.; Dos Reis, A. C.; Remon Alepuz, C.; Renaudin, V.; Ricciardi, S.; Richards, S.; Rihl, M.; Rinnert, K.; Rives Molina, V.; Robbe, P.; Rodrigues, A. B.; Rodrigues, E.; Rodriguez Lopez, J. A.; Rodriguez Perez, P.; Rogozhnikov, A.; Roiser, S.; Rollings, A.; Romanovskiy, V.; Romero Vidal, A.; Ronayne, J. W.; Rotondo, M.; Rudolph, M. S.; Ruf, T.; Ruiz Valls, P.; Saborido Silva, J. J.; Sadykhov, E.; Sagidova, N.; Saitta, B.; Salustino Guimaraes, V.; Sanchez Gonzalo, D.; Sanchez Mayordomo, C.; Sanmartin Sedes, B.; Santacesaria, R.; Santamarina Rios, C.; Santimaria, M.; Santovetti, E.; Sarti, A.; Satriano, C.; Satta, A.; Saunders, D. M.; Savrina, D.; Schael, S.; Schellenberg, M.; Schiller, M.; Schindler, H.; Schlupp, M.; Schmelling, M.; Schmelzer, T.; Schmidt, B.; Schneider, O.; Schopper, A.; Schreiner, H. F.; Schubert, K.; Schubiger, M.; Schune, M. H.; Schwemmer, R.; Sciascia, B.; Sciubba, A.; Semennikov, A.; Sergi, A.; Serra, N.; Serrano, J.; Sestini, L.; Seyfert, P.; Shapkin, M.; Shapoval, I.; Shcheglov, Y.; Shears, T.; Shekhtman, L.; Shevchenko, V.; Siddi, B. G.; Silva Coutinho, R.; Silva De Oliveira, L.; Simi, G.; Simone, S.; Sirendi, M.; Skidmore, N.; Skwarnicki, T.; Smith, E.; Smith, I. T.; Smith, J.; Smith, M.; Soares Lavra, L.; Sokoloff, M. D.; Soler, F. J. P.; Souza De Paula, B.; Spaan, B.; Spradlin, P.; Sridharan, S.; Stagni, F.; Stahl, M.; Stahl, S.; Stefko, P.; Stefkova, S.; Steinkamp, O.; Stemmle, S.; Stenyakin, O.; Stevens, H.; Stoica, S.; Stone, S.; Storaci, B.; Stracka, S.; Stramaglia, M. E.; Straticiuc, M.; Straumann, U.; Sun, L.; Sutcliffe, W.; Swientek, K.; Syropoulos, V.; Szczekowski, M.; Szumlak, T.; T'Jampens, S.; Tayduganov, A.; Tekampe, T.; Teklishyn, M.; Tellarini, G.; Teubert, F.; Thomas, E.; Van Tilburg, J.; Tilley, M. J.; Tisserand, V.; Tobin, M.; Tolk, S.; Tomassetti, L.; Tonelli, D.; Topp Joergensen, S.; Toriello, F.; Tourinho Jadallah Aoude, R.; Tournefier, E.; Tourneur, S.; Trabelsi, K.; Traill, M.; Tran, M. T.; Tresch, M.; Trisovic, A.; Tsaregorodtsev, A.; Tsopelas, P.; Tully, A.; Tuning, N.; Ukleja, A.; Usachov, A.; Ustyuzhanin, A.; Uwer, U.; Vacca, C.; Vagnoni, Vincenzo Maria; Valassi, A.; Valat, S.; Valenti, G.; Vazquez Gomez, R.; Vazquez Regueiro, P.; Vecchi, S.; Van Veghel, M.; Velthuis, J. J.; Veltri, M.; Veneziano, G.; Venkateswaran, A.; Verlage, T. A.; Vernet, M.; Vesterinen, M.; Viana Barbosa, J. V.; Viaud, B.; Vieira, D.; Vieites Diaz, M.; Viemann, H.; Vilasis Cardona, X.; Vitti, M.; Volkov, V.; Vollhardt, A.; Voneki, B.; Vorobyev, A.; Vorobyev, V.; Voß, C.; De Vries, J. A.; Vázquez Sierra, C.; Waldi, R.; Wallace, C.; Wallace, R.; Walsh, J.; Wang, J.; Ward, D. R.; Wark, H. M.; Watson, N. K.; Websdale, D.; Weiden, A.; Whitehead, M.; Wicht, J.; Wilkinson, G.; Wilkinson, M.; Williams, M.; Williams, M. P.; Williams, M.; Williams, T.; Wilson, F. F.; Wimberley, J.; Winn, M. A.; Wishahi, J.; Wislicki, W.; Witek, M.; Wormser, G.; Wotton, S. A.; Wraight, K.; Wyllie, K.; Xie, Y.; Xu, Z.; Yang, Z.; Yang, Z.; Yao, Y.; Yin, H.; Yu, J.; Yuan, X.; Yushchenko, O.; Zarebski, K. A.; Zavertyaev, M.; Zhang, L.; Zhang, Y.; Zhelezov, A.; Zheng, Y.; Zhu, X.; Zhukov, V.; Zucchelli, Stefano

doi:10.1140/epjc/s10052-017-5151-8

Using decays to ϕ-meson pairs, the inclusive production of charmonium states in b-hadron decays is studied with pp collision data corresponding to an integrated luminosity of 3.0 fb^−1, collected by the LHCb experiment at centre-of-mass energies of 7 and 8 TeV. Denoting by B_C ≡ B(b → CX) × B(C → ϕϕ) the inclusive branching fraction of a b hadron to a charmonium state C that decays into a pair of ϕ mesons, ratios R_C2^C1 ≡ B_{C_1}/B_{C_2} are determined as R_{ηc(1S)}^{χc0} = 0.147 ± 0.023 ± 0.011, R_{ηc(1S)}^{χc1} = 0.073 ± 0.016 ± 0.006, R_{ηc(1S)}^{χc2} = 0.081 ± 0.013 ± 0.005, R_{χc0}^{χc1} = 0.50 ± 0.11 ± 0.01, R_{χc0}^{χc2} = 0.56 ± 0.10 ± 0.01 and R_{ηc(1S)}^{ηc(2S)} = 0.040 ± 0.011 ± 0.004. Here and below the first uncertainties are statistical and the second systematic. Upper limits at 90% confidence level for the inclusive production of X(3872), X(3915) and χc2(2P) states are obtained as R_{χc1}^{X(3872)} < 0.34, R_{χc0}^{X(3915)} < 0.12 and R_{χc2}^{χc2(2P)} < 0.16. Differential cross-sections as a function of transverse momentum are measured for the η_c(1S) and χ_c states. The branching fraction of the decay B0s → ϕ ϕ ϕ is measured for the first time, B(B0s → ϕ ϕ ϕ) = (2.15 ± 0.54 ± 0.28 ± 0.21_B) × 10^−6. Here the third uncertainty is due to the branching fraction of the decay B0s → ϕ ϕ, which is used for normalization. No evidence for intermediate resonances is seen. A preferentially transverse ϕ polarization is observed. The measurements allow the determination of the ratio of the branching fractions for the η_c(1S) decays to ϕ ϕ and p anti-p as B(η_c(1S) → ϕ ϕ)/B(ηc(1S) → p anti-p) = 1.79 ± 0.14 ± 0.32.