[論文レビュー] Weak phases and CP-symmetry tests in sequential decays of entangled double-strange baryons

F. De Mori, М. Н. Ачасов+517 more|GSI Repository (German Federal Government)|May 24, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、$J/\psi \to \Xi^{-}\overline{\Xi}^{+}$ 衰えから得られるエンタングルド二重ストレンジバリオンを用いて、バリオン崩壊における弱位相差の最初の直接測定が行われた。完全な崩壊チェーンを再構築し、量子もつれを活用することで、BESIIIコラボレーションは崩壊パラメータを高精度に測定し、二つの独立したCP対称性の検証を実施した。その結果、CP対称性と整合的であり、弱位相差は $(\xi_P - \xi_S) = (1.2 \pm 3.4 \pm 0.8) \times 10^{-2}$ rad と測定された。

ABSTRACT

Using a sample of $1.31 imes10^9$ $J/ψ$ events collected with the BESIII detector at the electron-positron collider BEPCII, we analyse the full $J/ψ o$ $Ξ^-\overlineΞ^+$, $Ξ^- o Λπ^-$, $Λ o pπ^-$, $\overlineΞ^+ o\overlineΛπ^+$, $\overlineΛ o\overline{p}π^+$ decay chain. A new method, exploiting the fact that the $Ξ^-\overlineΞ^+$ pair is entangled and sequentially decaying, and where the complete decay chains are reconstructed, is applied for the first time. This enables precision measurements of the decay parameters for the $Ξ^- oΛπ^-$ decay ($α_Ξ$, $ϕ_Ξ$) as well as the $\overlineΞ^+ o\overlineΛπ^+$ decay ($\overlineα_Ξ$, $\overlineϕ_Ξ$). From the decay parameters, two independent CP tests were performed, quantified by the observables $A_{ m CP}^Ξ$ and $Δϕ_Ξ$. Our results, $A_{ m CP}^Ξ$ = $(6.0\pm13.4\pm5.6) imes10^{-3}$ and $Δϕ_Ξ= (-4.8\pm13.7\pm2.9) imes10^{-3}~{ m rad}$, are consistent with CP symmetry. Furthermore, our method enables a separation of strong and weak $Ξ oΛπ$ decay amplitudes. This results in the first direct measurement of the weak phase difference for any baryon decay. The result is found to be $(ξ_{P} - ξ_{S}) = (1.2\pm3.4\pm0.8) imes10^{-2}$ rad and is one of the most precise tests of CP symmetry for strange baryons. The strong phase difference is measured to be $(δ_P - δ_S) = (-4.0\pm3.3\pm1.7) imes10^{-2}$ rad. In addition, we provide an independent measurement of the recently debated $Λ$ decay parameter, $α_Λ = 0.757 \pm 0.011 \pm 0.008 $. The $Λ\overlineΛ$ asymmetry is measured to be $A_{ m CP}^Λ = (-3.7\pm11.7\pm9.0) imes10^{-3}$.

研究の動機と目的

• エンタングルド $\Xi^{-}\overline{\Xi}^{+}$ バリオンの逐次的崩壊において、$\alpha_{\Xi}$, $\phi_{\Xi}$, $\overline{\alpha}_{\Xi}$, $\overline{\phi}_{\Xi}$ の崩壊パラメータを高精度で測定すること。
• 二つの独立した観測量 $A_{\rm CP}^{\Xi}$ および $\Delta\phi_{\Xi}$ を用いて、奇妙バリオン崩壊におけるCP対称性を検証すること。
• $\Xi \to \Lambda\pi$ 崩壊における強い崩壊振幅と弱い崩壊振幅を初めて分離し、弱位相差の直接測定を可能にすること。
• $\Lambda$ 崩壊パラメータ $\alpha_{\Lambda}$ と $\Lambda\overline{\Lambda}$ CP非対称性の独立した測定を提供すること。
• トラッキング効率、運動量フィット、質量ウィンドウ、崩壊長、および質量中心系フレームにおける角度分布からの系統的不確実性を評価すること。

提案手法

• BESIII検出器がBEPCIIで収集した $1.31 \times 10^9$ 個の $J/\psi$ イベントを用いて、$J/\psi \to \Xi^{-}\overline{\Xi}^{+} \to \Lambda\pi^{-}\overline{\Lambda}\pi^{+} \to p\pi^{-}\overline{p}\pi^{+}$ の完全な崩壊チェーンを分析した。
• $\Xi^{-}\overline{\Xi}^{+}$ 系の量子もつれと完全な崩壊チェーン再構築を活用する新しい手法を適用し、崩壊パラメータとCP対称性を破る観測量を抽出した。
• 最終状態粒子の角度分布に対して最尤法フィットを適用し、運動量制約と粒子識別を組み込んだ。
• トラッキング効率モデル、質量ウィンドウ選択、崩壊長カット、角度受容関数補正の変更により、系統的不確実性の原因を体系的に評価した。
• パラメータ抽出におけるバイアスを低減するために、$p_T$ および $\cos\theta$ に依存するトラッキング効率の反復補正を実施した。
• $|\cos\theta_{\Xi,\rm c.m.}| < 0.84$ のカットを適用し、高角度領域におけるデータとモンテカルロの乖離を軽減した。残存効果は系統的不確実性に含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのバリオン崩壊においても、弱位相差 $\xi_P - \xi_S$ の最初の直接測定とは何か？
• RQ2 $A_{\rm CP}^{\Xi}$ および $\Delta\phi_{\Xi}$ のCP対称性破れ観測量がゼロからどれほどずれているか。CP破れを示唆するか？
• RQ3 エンタングルド状態を用いて、$\Xi^{-} \to \Lambda\pi^{-}$ および $\overline{\Xi}^{+} \to \overline{\Lambda}\pi^{+}$ の崩壊パラメータ $\alpha_{\Xi}$, $\phi_{\Xi}$, $\overline{\alpha}_{\Xi}$, $\overline{\phi}_{\Xi}$ をどの程度高精度に測定できるか？
• RQ4 独立して測定された $\Lambda$ 崩壊パラメータ $\alpha_{\Lambda}$ は何か。また、過去の結果とどのように比較されるか？
• RQ5 崩壊パラメータおよびCP非対称性の測定における主要な系統的不確実性の要因は何か？

主な発見

• CP対称性破れ非対称性 $A_{\rm CP}^{\Xi}$ は $(6.0 \pm 13.4 \pm 5.6) \times 10^{-3}$ と測定され、ゼロと整合的であり、CP対称性と一致する。
• 位相差 $\Delta\phi_{\Xi}$ は $(-4.8 \pm 13.7 \pm 2.9) \times 10^{-3}$ rad と測定され、CP保存と整合的である。
• 弱位相差 $\xi_P - \xi_S$ は、初めて直接測定され、$(1.2 \pm 3.4 \pm 0.8) \times 10^{-2}$ rad であった。これは、奇妙バリオンにおけるCP対称性の最も高精度なテストの一つである。
• 強い位相差 $\delta_P - \delta_S$ は $(-4.0 \pm 3.3 \pm 1.7) \times 10^{-2}$ rad と測定され、$\Xi \to \Lambda\pi$ 崩壊のダイナミクスに関する洞察を提供した。
• $\Lambda$ 崩壊パラメータは独立して $\alpha_{\Lambda} = 0.757 \pm 0.011 \pm 0.008$ と測定され、過去の測定値と一致した。
• $\Lambda\overline{\Lambda}$ CP非対称性 $A_{\rm CP}^{\Lambda}$ は $(-3.7 \pm 11.7 \pm 9.0) \times 10^{-3}$ と測定され、CP保存と整合的であった。