[논문 리뷰] Weak phases and CP-symmetry tests in sequential decays of entangled double-strange baryons

F. De Mori, М. Н. Ачасов외 517명|GSI Repository (German Federal Government)|2021. 05. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 32인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 BESIII 협력진이 BEPCII에서 수집한 $1.31 \times 10^9$개의 $J/\psi$ 사건을 이용해, $J/\psi \to \Xi^{-}\overline{\Xi}^{+}$ 붕괴에서 유도된 얽힌 双중이상 바리온에서 약한 위상 차이를 처음으로 직접 측정한다. 전체 붕괴 체인을 재구성하고 양자 얽힘을 활용함으로써, 연구진은 붕괴 매개변수를 정밀하게 측정하고 두 가지 독립적인 CP 위반 검증을 수행하였으며, CP 대칭과 일치함을 확인하고 약한 위상 차이를 $(\xi_P - \xi_S) = (1.2 \pm 3.4 \pm 0.8) \times 10^{-2}$ 라디안로 측정하였다.

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 $A_{ m CP}^Λ = (-3.7\pm11.7\pm9.0) imes10^{-3}$.

연구 동기 및 목표

• 얽힌 $\Xi^{-}\overline{\Xi}^{+}$ 바리온의 연속 붕괴에서 붕괴 매개변수 $\alpha_{\Xi}$, $\phi_{\Xi}$, $\overline{\alpha}_{\Xi}$, $\overline{\phi}_{\Xi}$의 정밀 측정을 수행한다.
• 두 가지 독립적인 관측량인 $A_{\rm CP}^{\Xi}$ 와 $\Delta\phi_{\Xi}$ 를 이용해 이국 바리온 붕괴에서의 CP 대칭성을 검증한다.
• 처음으로 $\Xi \to \Lambda\pi$ 붕괴에서 강한 상호작용 및 약한 상호작용 진폭을 분리함으로써 약한 위상 차이의 직접 측정을 가능하게 한다.
• 독립적으로 $\Lambda$ 붕괴 매개변수 $\alpha_{\Lambda}$ 와 $\Lambda\overline{\Lambda}$ CP 비대칭성을 측정한다.
• 운동량 분포, 운동역학적 피팅, 질량 창, 붕괴 길이, 그리고 질량 중심 프레임에서의 각도 분포에 기인한 시스템적 불확실성 요인을 평가한다.

제안 방법

• BESIII 검출기에서 BEPCII에서 수집한 $1.31 \times 10^9$개의 $J/\psi$ 사건 샘플을 활용하여, 전체 붕괴 체인인 $J/\psi \to \Xi^{-}\overline{\Xi}^{+} \to \Lambda\pi^{-}\overline{\Lambda}\pi^{+} \to p\pi^{-}\overline{p}\pi^{+}$ 를 분석한다.
• 양자 얽힘 상태의 $\Xi^{-}\overline{\Xi}^{+}$ 쌍과 전체 붕괴 체인 재구성을 활용한 새로운 방법을 적용하여 붕괴 매개변수와 CP 위반 관측량을 추출한다.
• 최대우도 피팅을 통해 최종 상태 입자의 각도 분포를 분석하고, 운동역학적 제약 조건과 입자 식별을 통합한다.
• 트래킹 효율 모델, 질량 창 선택, 붕괴 길이 컷, 각도 수용각 보정 등의 수정을 통해 시스템적 불확실성의 원인을 체계적으로 평가한다.
• 파라미터 추출의 편향을 최소화하기 위해 $p_T$ 와 $\cos\theta$ 의 함수로 트래킹 효율을 반복 보정한다.
• 고각 영역에서 데이터-모델 불일치를 완화하기 위해 $|\cos\theta_{\Xi,\rm c.m.}| < 0.84$ 를 적용하며, 잔여 효과는 시스템적 불확실성에 포함시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 바리온 붕괴에서나 약한 위상 차이 $\xi_P - \xi_S$ 를 처음으로 직접 측정한 결과는 무엇인가요?
• RQ2 CP 위반 관측량인 $A_{\rm CP}^{\Xi}$ 와 $\Delta\phi_{\Xi}$ 가 0에서 얼마나 벗어나는가? 이는 CP 위반을 시사하는가?
• RQ3 얽힌 상태를 이용할 때 $\Xi^{-} \to \Lambda\pi^{-}$ 와 $\overline{\Xi}^{+} \to \overline{\Lambda}\pi^{+}$ 붕괴의 매개변수 $\alpha_{\Xi}$, $\phi_{\Xi}$, $\overline{\alpha}_{\Xi}$, $\overline{\phi}_{\Xi}$ 는 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ4 독립적으로 측정한 $\Lambda$ 붕괴 매개변수 $\alpha_{\Lambda}$ 는 무엇이며, 이는 이전 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 붕괴 매개변수와 CP 비대칭성 측정에서 지배적인 시스템적 불확실성 원인은 무엇인가요?

주요 결과

• CP 위반 비대칭성 $A_{\rm CP}^{\Xi}$ 는 $(6.0 \pm 13.4 \pm 5.6) \times 10^{-3}$ 로 측정되었으며, 0과 일치하여 CP 대칭성과 일치한다.
• 위상 차이 $\Delta\phi_{\Xi}$ 는 $(-4.8 \pm 13.7 \pm 2.9) \times 10^{-3}$ 라디안으로 측정되었으며, 이 역시 CP 보존과 일치한다.
• 약한 위상 차이 $\xi_P - \xi_S$ 는 처음으로 $(1.2 \pm 3.4 \pm 0.8) \times 10^{-2}$ 라디안로 직접 측정되었으며, 이는 이국 바리온에서의 CP 대칭성에 대한 가장 정밀한 시험 중 하나이다.
• 강한 위상 차이 $\delta_P - \delta_S$ 는 $(-4.0 \pm 3.3 \pm 1.7) \times 10^{-2}$ 라디안로 측정되었으며, 이는 $\Xi \to \Lambda\pi$ 붕괴의 역학적 특성에 대한 통찰을 제공한다.
• $\Lambda$ 붕괴 매개변수는 독립적으로 $\alpha_{\Lambda} = 0.757 \pm 0.011 \pm 0.008$ 로 측정되었으며, 이는 이전 측정 결과와 일치한다.
• $\Lambda\overline{\Lambda}$ CP 비대칭성 $A_{\rm CP}^{\Lambda}$ 는 $(-3.7 \pm 11.7 \pm 9.0) \times 10^{-3}$ 로 측정되었으며, CP 보존과 일치한다.