Evidence for the Direct Two-Photon Transition from ψ(3686) to J/ψ

Ablikim, M.; Achasov, M.; Ambrose, D.; An, F.; An, Q.; An, Z.; Bai, J.; Ferroli, R.; Ban, Y.; Becker, J.; Berger, N.; Bertani, M.; Bian, J.; Boger, E.; Bondarenko, O.; Boyko, I.; Briere, R.; Bytev, V.; Cai, X.; Calcaterra, A.; Cao, G.; Chang, J.; Chelkov, G.; Chen, G.; Chen, H.; Chen, J.; Chen, M.; Chen, S.; Chen, Y.; Chen, Y.; Cheng, H.; Chu, Y.; Cronin Hennessy, D.; Dai, H.; Dai, J.; Dedovich, D.; Deng, Z.; Denig, A.; Denysenko, I.; Destefanis, Marco Giovanni; Ding, W.; Ding, Y.; Dong, L.; Dong, M.; Du, S.; Fang, J.; Fang, S.; Fava, L.; Feldbauer, F.; Feng, C.; Fu, C.; Fu, J.; Gao, Y.; Geng, C.; Goetzen, K.; Gong, W.; Gradl, W.; Greco, Michela; Gu, M.; Gu, Y.; Guan, Y.; Guo, A.; Guo, L.; Guo, Y.; Han, Y.; Hao, X.; Harris, F.; He, K.; He, M.; He, Z.; Held, T.; Heng, Y.; Hou, Z.; Hu, H.; Hu, J.; Hu, T.; Huang, B.; Huang, G.; Huang, J.; Huang, X.; Huang, Y.; Hussain, T.; Ji, C.; Ji, Q.; Ji, X.; Ji, X.; Jia, L.; Jiang, L.; Jiang, X.; Jiao, J.; Jiao, Z.; Jin, D.; Jin, S.; Jing, F.; Kalantar Nayestanaki, N.; Kavatsyuk, M.; Kuehn, W.; Lai, W.; Lange, J.; Leung, J.; Li, C.; Cheng, Li; Cui, Li; Li, D.; Li, F.; Li, G.; Li, H.; Li, J.; Li, K.; Lei, Li; Li, N.; Li, Q.; Li, S.; Li, W.; Li, W.; Li, X.; Li, X.; Li, X.; Li, X.; Li, Z.; Liang, H.; Liang, Y.; Liang, Y.; Liao, G.; Liao, X.; Liu, B.; Liu, B.; Liu, C.; Liu, C.; Liu, C.; Liu, F.; Liu, Fang; Liu, Feng; Liu, H.; Liu, H.; Liu, H.; Liu, H.; Liu, H.; Liu, J.; Liu, Kun; Liu, Kai; Liu, K.; Liu, P.; Liu, S.; Liu, X.; Liu, X.; Liu, Y.; Liu, Y.; Liu, Z.; Liu, Zhiqiang; Liu, Zhiqing; Loehner, H.; Lu, G.; Lu, H.; Lu, J.; Lu, Q.; Lu, X.; Lu, Y.; Luo, C.; Luo, M.; Luo, T.; Luo, X.; Lv, M.; Ma, C.; Ma, F.; Ma, H.; Ma, Q.; Ma, S.; Ma, T.; Ma, X.; Ma, Y.; Maas, F.; Maggiora, Marco; Malik, Q.; Mao, H.; Mao, Y.; Mao, Z.; Messchendorp, J.; Min, J.; Min, T.; Mitchell, R.; Mo, X.; Morales Morales, C.; Motzko, C.; Muchnoi, N.; Nefedov, Y.; Nicholson, C.; Nikolaev, I.; Ning, Z.; Olsen, S.; Ouyang, Q.; Pacetti, S.; Park, J.; Pelizaeus, M.; Peters, K.; Ping, J.; Ping, R.; Poling, R.; Prencipe, E.; Pun, C.; Qi, M.; Qian, S.; Qiao, C.; Qin, X.; Qin, Y.; Qin, Z.; Qiu, J.; Rashid, K.; Rong, G.; Ruan, X.; Sarantsev, A.; Schulze, J.; Shao, M.; Shen, C.; Shen, X.; Sheng, H.; Shepherd, M.; Song, X.; Spataro, Stefano Giovanni; Spruck, B.; Sun, D.; Sun, G.; Sun, J.; Sun, S.; Sun, X.; Sun, Y.; Sun, Y.; Sun, Z.; Sun, Z.; Tang, C.; Tang, X.; Thorndike, E.; Tian, H.; Toth, D.; Ulrich, M.; Varner, G.; Wang, B.; Wang, B.; Wang, K.; Wang, L.; Wang, L.; Wang, M.; Wang, P.; Wang, P.; Wang, Q.; Wang, Q.; Wang, S.; Wang, X.; Wang, X.; Wang, Y.; Wang, Y.; Wang, Y.; Wang, Z.; Wang, Z.; Wang, Z.; Wei, D.; Weidenkaff, P.; Wen, Q.; Wen, S.; Werner, M.; Wiedner, U.; Wu, L.; Wu, N.; Wu, S.; Wu, W.; Wu, Z.; Xia, L.; Xiao, Z.; Xie, Y.; Xiu, Q.; Xu, G.; Xu, G.; Xu, H.; Xu, Q.; Xu, X.; Xu, Y.; Xu, Z.; Xue, F.; Xue, Z.; Yan, L.; Yan, W.; Yan, Y.; Yang, H.; Yang, T.; Yang, Y.; Yang, Y.; Ye, H.; Ye, M.; Ye, M.; Yu, B.; Yu, C.; Yu, J.; Yu, S.; Yuan, C.; Yuan, W.; Yuan, Y.; Zafar, A.; Zallo, A.; Zeng, Y.; Zhang, B.; Zhang, B.; Zhang, C.; Zhang, D.; Zhang, H.; Zhang, H.; Zhang, J.; Zhang, J.; Zhang, J.; Zhang, J.; Zhang, J.; Zhang, J.; Zhang, L.; Zhang, S.; Zhang, T.; Zhang, X.; Zhang, X.; Zhang, Y.; Zhang, Y.; Zhang, Y.; Zhang, Z.; Zhang, Z.; Zhao, G.; Zhao, H.; Zhao, J.; Zhao, K.; Zhao, Lei; Zhao, Ling; Zhao, M.; Zhao, Q.; Zhao, S.; Zhao, T.; Zhao, X.; Zhao, Y.; Zhao, Z.; Zhemchugov, A.; Zheng, B.; Zheng, J.; Zheng, Y.; Zheng, Z.; Zhong, B.; Zhong, J.; Zhou, L.; Zhou, X.; Zhou, X.; Zhu, C.; Zhu, K.; Zhu, K.; Zhu, S.; Zhu, X.; Zhu, X.; Zhu, Y.; Zhu, Y.; Zhu, Z.; Zhuang, J.; Zou, B.; Zou, J.; Zuo, J.

doi:10.1103/PhysRevLett.109.172002

The two-photon transition ψ(3686)→γγJ/ψ is studied in a sample of 1.06×108 ψ(3686) decays collected by the BESIII detector. The branching fraction is measured to be (3.1±0.6(stat)-1.0+0.8(syst))×10-4 using J/ψ→e+e- and J/ψ→μ+μ- decays, and its upper limit is estimated to be 4.5×10-4 at the 90% confidence level. This work represents the first measurement of a two-photon transition among charmonium states. The orientation of the ψ(3686) decay plane and the J/ψ polarization in this decay are also studied. In addition, the product branching fractions of sequential E1 transitions ψ(3686)→γχcJ and χcJ→γJ/ψ(J=0,1,2) are reported.