[論文レビュー] Search for the doubly charmed baryon $\it{\Xi}_{cc}^{+}$ in the $\it{\Xi}_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$ final state

R. Aaij, A. S. W. Abdelmotteleb+1002 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 90被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、LHCb検出器を用いて、$√{s} = 13\,\text{TeV}$ の陽子-陽子衝突において、二重 charm バリオン $\Xi_{cc}^{+}$ の探索を実施した。$\Xi_{cc}^{+} \to \Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$ 衰変は $\Xi_{c}^{+} \to p K^{-} \pi^{+}$ を通じて再構成された。有意な信号は観測されず、組み合わせ解析では 3620 MeV/$c^2$ で全体の有意水準が 2.9 標準偏差にとどまる。これはやや可能性はあるが、確認された信号ではないことを示している。

ABSTRACT

A search for the doubly charmed baryon $\it{\Xi}_{cc}^{+}$ is performed in the $\it{\Xi}_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$ invariant-mass spectrum, where the $\it{\Xi}_{c}^{+}$ baryon is reconstructed in the $p K^{-} \pi^{+}$ final state. The study uses proton-proton collision data collected with the LHCb detector at a centre-of-mass energy of 13$\mathrm{\,Te\kern -0.1em V}$, corresponding to a total integrated luminosity of 5.4$\,\mathrm{fb}^{-1}$. No significant signal is observed in the invariant-mass range of 3.4$-$3.8$\mathrm{\,Ge\kern -0.1em V}/c^2$. Upper limits are set on the ratio of branching fractions multiplied by the production cross-section with respect to the $\it{\Xi}_{cc}^{++} ightarrow (\it{\Xi}_{c}^{+} ightarrow p K^{-} \pi^{+}) \pi^{+}$ decay for different $\it{\Xi}_{cc}^{+}$ mass and lifetime hypotheses in the rapidity range from 2.0 to 4.5 and the transverse momentum range from 2.5 to 25$\mathrm{\,Ge\kern -0.1em V}/c$. The results from this search are combined with a previously published search for the $\it{\Xi}_{cc}^{+} ightarrow \it{\Lambda}_{c}^{+} K^{-} \pi^{+}$ decay mode, yielding a maximum local significance of 4.0 standard deviations around the mass of 3620$\mathrm{\,Me\kern -0.1em V}/c^2$, including systematic uncertainties. Taking into account the look-elsewhere effect in the 3.5$-$3.7$\mathrm{\,Ge\kern -0.1em V}/c^2$ mass window, the combined global significance is 2.9 standard deviations including systematic uncertainties.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突データ（$\sqrt{s} = 13\,\text{TeV}$）を用いて、$\Xi_{cc}^{+}$ の二重charm バリオンを $\Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$ のインヴァリアント質量スペクトルにおいて探索すること。
• さまざまな質量および寿命仮説に基づく $\Xi_{cc}^{+}$ 衰変の分岐比比と生成断面積の積に対する上限を設定すること。
• $\Xi_{cc}^{+} \to \Lambda_{c}^{+} K^{-} \pi^{+}$ 衰変モードにおける以前の探索結果と組み合わせ、感度を向上させること。
• 3.5–3.7 GeV/$c^2$ の質量範囲において、観測された信号の有意水準を、あらゆる場所を探索する効果（look-elsewhere effect）および系arness的不確実性を考慮して評価すること。

提案手法

• LHCb 検出器からのデータを用いて、$p K^{-} \pi^{+}$ 最終状態における $\Xi_{c}^{+}$ バリオンを再構成する。
• $\Xi_{cc}^{+} \to \Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$ のインヴァリアント質量スペクトルを作成し、共鳴ピークの有無を探索する。
• 陽子-陽子衝突における合計 5.4 fb$^{-1}$ の統合した放射線量を用いる。
• 信号領域を定義するため、速さの範囲 2.0–4.5 および横方向運動量の範囲 2.5–25 GeV/$c$ に選択基準を適用する。
• $\Xi_{cc}^{+} \to \Lambda_{c}^{+} K^{-} \pi^{+}$ への以前の LHCb 探索結果と組み合わせ、感度を向上させる。
• 局所的有意水準および全体的有意水準を計算し、あらゆる場所を探索する効果を補正し、系統的不確実性を含める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3.4–3.8 GeV/$c^2$ の範囲内で、$\Xi_{cc}^{+} \to \Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$ のインヴァリアント質量スペクトルに共鳴ピークの証拠があるか？
• RQ2 さまざまな質量および寿命仮説のもとで、$\Xi_{cc}^{+}$ 衰変の生成断面積と分岐比の積の上限は何か？
• RQ3 $\Xi_{cc}^{+} \to \Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$ および $\Xi_{cc}^{+} \to \Lambda_{c}^{+} K^{-} \pi^{+}$ 衰変モードの組み合わせにより、統計的に有意な信号が得られるか？
• RQ4 3.5–3.7 GeV/$c^2$ の窓内で、複数のテストを補正した（あらゆる場所を探索する効果を考慮した）後の全体的有意水準は何か？

主な発見

• 3.4–3.8 GeV/$c^2$ の範囲で、$\Xi_{cc}^{+} \to \Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$ のインヴァリアント質量スペクトルに有意な信号は観測されなかった。
• $\Xi_{cc}^{+} \to \Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$ および $\Xi_{cc}^{+} \to \Lambda_{c}^{+} K^{-} \pi^{+}$ 衰変モードの組み合わせ解析では、質量 3620 MeV/$c^2$ で最大の局所的有意水準が 4.0 標準偏差に達した。
• 3.5–3.7 GeV/$c^2$ の質量窓内であらゆる場所を探索する効果を補正した後、系統的不確実性を含めた全体の有意水準は 2.9 標準偏差にとどまった。
• さまざまな質量および寿命仮説に基づき、$\Xi_{cc}^{+}$ の分岐比の比と生成断面積の積に対する上限が設定された。
• 結果は 3620 MeV/$c^2$ 付近にやや可能性のある信号を示唆しているが、発見のための 5σ の閾値には達していない。
• 両方の衰変モードを含めることで、組み合わせ探索の感度が向上し、個別の解析に比べて有意水準の推定が改善された。