[论文解读] Triple product asymmmetries in $\Lambda_b$ and $\Xi_b$ decays

Michael Gronau, Jonathan L. Rosner|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文研究了 $λ_b$ 和 $ϩ_b^0$ 重子的四体衰变中 CP 破坏性三重积不对称性，其末态为不含粲夸克的粒子，包括π介子、K介子和质子或 $Σ^+$ 超子。通过利用 penguin 振幅与树图振幅之间的差异，并利用共振子系统的最终态相位变化，作者表明此类不对称性可作为探测 CP 破坏的清晰手段，且通过使用含粲夸克的衰变进行控制，可有效减少探测器响应和产生率相关的不确定性。

ABSTRACT

The LHCb experiment is capable of studying four-body decays of the $b$-flavored baryons $\\Lambda_b$ and $\\Xi_b^0$ to charmless final states consisting of charged pions, kaons, and baryons. We remark on the search in such modes for CP-violating triple product asymmetries and for CP rate asymmetries relative to decays involving charmed baryons.

研究动机与目标

• 识别并分析 $λ_b$ 和 $ϩ_b^0$ 重子四体衰变至不含粲夸克末态中的 CP 破坏性三重积不对称性。
• 通过比较不含粲夸克与含粲夸克衰变中的 CP 不对称性，减少因重子与反重子产生率不等而带来的实验偏差。
• 利用 U 自旋对称性关联涉及质子和 $Σ^+$ 超子的衰变，实现 CP 不对称性的系统性比较。
• 探讨四体衰变中由共振两体子系统产生的相位变化如何生成对 CP 破坏至关重要的大而可观测的最终态相位。
• 为 LHCb 实验提供一个框架，通过精确测量底重子衰变中的 CP 不对称性来寻找新物理。

提出的方法

• 分析 $λ_b$ 和 $ϩ_b^0$ 的四体衰变，末态包含质子、$Σ^+$、带电 π 介子和 K 介子，利用 U 自旋对称性关联振幅。
• 考虑 $Δ S = 0$ 和 $|Δ S| = 1$ 衰变过程中的 penguin 和树图振幅，其相对弱相位主要由 $V_{ub}$ 决定，强相位则受共振结构调制。
• 使用三重积不对称性 $\mathcal{A}_T = \frac{1}{2}(A_T - \bar{A}_T)$ 作为 CP 破坏的可观测量，其中 $A_T$ 为重子衰变中的不对称性，$\bar{A}_T$ 为反重子衰变中的不对称性。
• 研究衰变链中由两体组合形成的共振子系统（如 $N^{*0}$、$\rho^0$、$\bar{K}^{*0}$）如何在近 180° 范围内产生大而可观测的相位变化。
• 比较 penguin 和树图振幅的衰变拓扑结构，表明共振产生时不同的初始相位构型会引发对 CP 破坏敏感的干涉效应。
• 提出通过比较不含粲夸克与含粲夸克末态之间的 CP 率不对称性差异，来消除探测器响应和产生率偏差，从而增强对真实 CP 破坏的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 四体衰变中 $λ_b$ 和 $ϩ_b^0$ 重子的三重积不对称性能否作为探测 CP 破坏的清晰手段？
• RQ2 不含粲夸克衰变中 penguin 与树图振幅在共振产生拓扑结构上有何不同？这种差异是否能产生可观测的 CP 破坏相位？
• RQ3 在重子与反重子产生率不等的实验条件下，不含粲夸克衰变中的 CP 不对称性在多大程度上可被隔离以避免实验偏差？
• RQ4 U 自旋对称性如何关联涉及质子和 $Σ^+$ 超子的衰变中的 CP 不对称性？这对实验测量有何影响？
• RQ5 四体衰变中由共振两体子系统能否提供足够的相位变化以生成可观测的 CP 破坏性三重积不对称性？

主要发现

• 由于 penguin 与树图振幅之间存在不同弱相位与强相位的干涉，预期在 $λ_b$ 和 $ϩ_b^0$ 的不含粲夸克四体衰变中，三重积不对称性 $\mathcal{A}_T$ 为非零。
• 当扫描两体子系统中的 Breit-Wigner 共振态时，penguin 与树图振幅之间的相对强相位可在近 180° 范围内变化，从而最大化 CP 破坏的潜力。
• 涉及 $Σ^+$ 超子的衰变与质子衰变通过 U 自旋对称性关联，其积分 CP 率不对称性预测具有相同大小但相反符号。
• 通过比较不含粲夸克与含粲夸克末态中的 CP 不对称性，可显著减少探测器响应与产生率偏差，因为两种情况下使用了相同的末态粒子。
• 对于 $b \to u\bar{u}s$ 衰变的树图振幅与 $b \to s$ 衰变的 penguin 振幅，其共振产生模式不同，导致初始相位构型各异，从而增强 CP 破坏性干涉。
• 准两体衰变如 $(p\pi^-)(\pi^+K^-)$ 或 $(p\bar{p})(pK^-)$ 可能主导质量分布，使得可利用螺旋幅参数化方法分析 CP 不对称性。