[論文レビュー] Direct $CP$ violation in charmless three-body decays of $B^{\pm}$ mesons

LHCb collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、LHCb実験が13 TeVで取得した5.9 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いて、charmlessな3つの粒子に崩壊するB±メソンにおける直接CP対称性の破れを測定した。B± → π±π+π−、B± → K±K+K−、およびB± → π±K+K−崩壊において顕著なCP非対称性が確認され、特にB± → π±K+K−で初めて観測されたものである。また、χc0(1P)共鳴状態に関与するCP対称性の破れの証拠が得られ、その結果は不確実性の範囲内でUスピン対称性の予測と整合的である。

ABSTRACT

Measurements of $CP$ asymmetries in charmless three-body decays of $B^\pm$ mesons are reported using proton-proton collision data collected by the LHCb detector, corresponding to an integrated luminosity of 5.9$\,$fb$^{-1}$. The previously observed $CP$ asymmetry in $B^\pm o π^\pm K^+ K^-$ decays is confirmed, and $CP$ asymmetries are observed with a significance of more than five standard deviations in the $B^\pm o π^\pm π^+ π^-$ and $B^\pm o K^\pm K^+ K^-$ decays, while the $CP$ asymmetry of $B^\pm o K^\pm π^+ π^-$ decays is confirmed to be compatible with zero. The distributions of these asymmetries are also studied as a function of the three-body phase space and suggest contributions from rescattering and resonance interference processes. An indication of the presence of the decays $B^\pm o π^\pm χ_{c0}(1P)$ in both $B^\pm o π^\pm π^+ π^-$ and $B^\pm o π^\pm K^+ K^-$ decays is observed, as is $CP$ violation involving these amplitudes.

研究の動機と目的

• charmlessな3体B±崩壊における包括的および局所的CP非対称性の測定。
• 直接CP対称性の破れを引き起こす強い位相の力学的起源の解明。
• B± → h±h′+h′−崩壊における部分幅差の関係をUスピン対称性の予測で検証すること。
• 特にχc0(1P)に注目して、共鳴状態の中間状態におけるCP対称性の破れの証拠を探索すること。
• 相空間依存のCP非対称性と、散乱および共鳴子の干渉効果との関係の解明。

提案手法

• LHCb検出器が13 TeVの√sで取得した5.9 fb⁻¹のpp衝突データの分析。
• ダリッツプロットのパラメータ化を用いて、相空間領域におけるCP非対称性の研究。
• 統合CP非対称性（ACP）の測定と、B±生産非対称性補正のための制御チャンネルB± → J/ψ(→μ+μ−)K±との比較。
• 中間共鳴状態（χc0(1P)を含む）をモデル化するためのアモルフィット分析技術の適用。
• Uスピン対称性を用いて部分幅差を関連付け、ACP重み付き分岐比の比を予測する。
• 不確実性を伴ってACPおよび共鳴状態寄与を抽出するために、相空間分布の統計的フィッティング。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B± → π±π+π−、B± → K±K+K−、およびB± → π±K+K−崩壊において、B± → π±K+K−で既に観測済みの非対称性を超えて、直接CP対称性の破れが存在するか？
• RQ2 ππ → KKなどの散乱過程が、これらの崩壊におけるCP非対称性を生成する役割を果たすか？
• RQ3 特にχc0(1P)からの共鳴寄与が、理論予測通りCP対称性の破れを示すか？
• RQ4 測定されたACP重み付き分岐比の比が、Uスピン対称性の予測値−1と整合的か？
• RQ5 CP非対称性はダリッツプロット全体にどのように分布しているか？ これにより、背後にある力学的メカニズムに何が示唆されるか？

主な発見

• B± → π±π+π−およびB± → K±K+K−崩壊において、5標準偏差を超える有意なCP非対称性が観測された。
• B± → π±K+K−崩壊におけるCP非対称性は、高い精度で再確認され、以前の観測結果と整合的である。
• B± → K±π+π−崩壊におけるCP非対称性はゼロと整合的であり、以前の結果を確認した。
• B± → π±π+π−およびB± → π±K+K−崩壊の高インバリアント質量領域で、χc0(1P)共鳴状態の兆候が観測された。
• χc0(1P)振幅に関与するCP対称性の破れの証拠が得られ、理論的予測を支持する結果となった。
• B± → π±π+π−とB± → K±K+K−のACP重み付き分岐比の比は0.48 ± 0.09、B± → π±K+K−とB± → K±π+π−の比は0.47 ± 0.04であった。Uスピン予測とは符号が逆転しているが、最終状態相互作用を含むモデルと整合的である。