[논문 리뷰] Direct $CP$ violation in charmless three-body decays of $B^{\pm}$ mesons

LHCb collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 LHCb 실험에서 13 TeV에서의 5.9 fb⁻¹의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하여 캐러멜리스 세입자 붕괴에서 직접 CP 위반을 측정한다. B± → π±π+π−, B± → K±K+K−, 및 B± → π±K+K− 붕괴에서 유의미한 CP 비대칭성이 확인되었으며, 이는 B± → π±K+K−에서 처음으로 관측된 바 있다. 또한 χc0(1P) 공진형에 대한 CP 위반 증거가 발견되었으며, 이 결과는 불확실성 범위 내에서 U-스핀 대칭 예측과 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 캐러멜리스 세입자 B± 붕괴에서의 포함 및 국소적 CP 비대칭성 측정.
• 직접 CP 위반을 일으키는 강한 위상의 역학적 기원 조사.
• B± → h±h′+h′− 붕괴에서 부분 붕괴 폭 차이를 연결하는 U-스핀 대칭 예측 검증.
• 특히 χc0(1P)에 대해 CP 위반 증거 탐색.
• 상태공간 의존적 CP 비대칭성과 그 재결합 및 공진형 간섭 효과와의 관계 연구.

제안 방법

• LHCb 검출기에서 수집한 √s = 13 TeV에서의 5.9 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터 분석.
• 단계공간 영역에서의 CP 비대칭성 연구를 위한 딜리츠 플롯 파arametrization 사용.
• 통합된 CP 비대칭성(A_CP) 측정 및 B± 생산 비대칭성 보정을 위해 제어 채널 B± → J/ψ(→μ+μ−)K± 사용.
• 중간 공진형 상태, 특히 χc0(1P)를 모델링하기 위한 앰플리튜드 분석 기법 적용.
• 부분 붕괴 폭 차이를 관련지어 A_CP 가중 분포율 비율을 예측하기 위해 U-스핀 대칭 활용.
• 상태공간 분포의 통계적 피팅을 통해 A_CP 및 공진형 기여를 불확실성과 함께 추출.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B± → π±π+π−, B± → K±K+K−, 및 B± → π±K+K− 붕괴에서, 이전에 관측된 B± → π±K+K−에서의 비대칭성 외에 직접 CP 위반이 존재하는가?
• RQ2 ππ → KK와 같은 재결합 과정이 이러한 붕괴에서 CP 비대칭성을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 특히 χc0(1P)에서의 공진형 기여가 이론 예측과 같이 CP 위반을 나타내는가?
• RQ4 측정된 A_CP 가중 분포율 비율이 U-스핀 대칭 예측의 −1과 일치하는가?
• RQ5 CP 비대칭성은 딜리츠 플롯 전반에 어떻게 분포되어 있으며, 이는 기초 역학에 대해 어떤 시사점을 갖는가?

주요 결과

• B± → π±π+π− 및 B± → K±K+K− 붕괴에서 유의미한 CP 비대칭성이 관측되었으며, 이는 5개의 표준편차를 초월하는 정확도를 가진다.
• B± → π±K+K− 붕괴에서의 CP 비대칭성은 높은 정밀도로 확인되었으며, 이전 관측과 일치한다.
• B± → K±π+π− 붕괴에서의 CP 비대칭성은 0과 일치하는 것으로 나타나, 이전 결과를 확인한다.
• B± → π±π+π− 및 B± → π±K+K− 붕괴의 고상관 질량 영역에서 χc0(1P) 공진형의 징후가 관측되었다.
• χc0(1P) 진폭에 대한 CP 위반 증거가 관측되었으며, 이는 이론 예측을 지지한다.
• B± → π±π+π− 및 B± → K±K+K−의 A_CP 가중 분포율 비율은 0.48 ± 0.09이며, B± → π±K+K− 및 B± → K±π+π−의 비율은 0.47 ± 0.04이다. 이는 U-스핀 예측과 반대 부호를 가지나, 최종 상태 상호작용를 포함한 모델과 일치한다.