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

LHCb collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本研究利用LHCb实验在13 TeV质子-质子碰撞数据中采集的5.9 fb⁻¹数据，测量了B±介子的无粲三体衰变中的直接CP破坏。研究确认了B± → π±π+π−、B± → K±K+K−和B± → π±K+K−衰变中存在显著的CP不对称性——其中B± → π±K+K−衰变中的不对称性为首次观测——并发现了与χc0(1P)共振态相关的CP破坏证据，结果在不确定度范围内与U自旋对称性预测一致。

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.

研究动机与目标

• 测量无粲三体B±衰变中的整体和局域CP不对称性。
• 研究导致直接CP破坏的强相位的动力学起源。
• 检验U自旋对称性预测，即B± → h±h′+h′−衰变中部分宽度差异的关系。
• 寻找CP破坏在共振中间态中的证据，特别是χc0(1P)。
• 研究与相空间相关的CP不对称性及其与交换散射和共振态干涉效应的关系。

提出的方法

• 分析LHCb探测器在√s = 13 TeV下采集的5.9 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 使用Dalitz图参数化方法研究相空间区域中的CP不对称性。
• 测量积分CP不对称性（ACP），并与控制道B± → J/ψ(→μ+μ−)K±对比，以校正B±产生不对称性。
• 应用幅度分析技术，对包括χc0(1P)在内的中间共振态进行建模。
• 利用U自旋对称性关联部分宽度差异，并预测ACP加权分支比的比值。
• 对相空间分布进行统计拟合，以提取ACP和共振态贡献及其不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在B± → π±π+π−、B± → K±K+K−和B± → π±K+K−衰变中，除了先前在B± → π±K+K−中观测到的不对称性外，是否存在直接CP破坏？
• RQ2 如ππ → KK等交换散射过程在这些衰变中生成CP不对称性的角色是什么？
• RQ3 共振态贡献，特别是χc0(1P)，是否表现出理论预测的CP破坏？
• RQ4 测量的ACP加权分支比之比是否与U自旋对称性预测的−1一致？
• RQ5 CP不对称性在Dalitz图中的分布如何？这对其背后动力学机制有何启示？

主要发现

• 在B± → π±π+π−和B± → K±K+K−衰变中观测到显著的CP不对称性，显著性超过五个标准差。
• B± → π±K+K−衰变中的CP不对称性以高精度得到确认，与先前观测结果一致。
• B± → K±π+π−衰变中的CP不对称性与零值一致，证实了早期结果。
• 在B± → π±π+π−和B± → π±K+K−衰变的高不变质量区域中，观测到χc0(1P)共振态的迹象。
• 观测到与χc0(1P)振幅相关的CP破坏证据，支持理论预测。
• 测量的ACP加权分支比之比在B± → π±π+π−与B± → K±K+K−之间为0.48 ± 0.09，在B± → π±K+K−与B± → K±π+π−之间为0.47 ± 0.04，与U自旋对称性预测的符号相反，但与包含末态相互作用的模型一致。