[论文解读] Measurement of the $\Lambda_c^+$ lifetime

Abudinén, F., F. Abudinén+361 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文利用在SuperKEKB上运行的Belle II实验获得的207.2 fb⁻¹数据，对Λ⁺c baryon的寿命进行了迄今为止最精确的测量。绝对寿命测量结果为203.20 ± 0.89（统计）± 0.77（系统）fs，为测试有效场论（如重夸克展开）在粲强子衰变中的适用性提供了关键基准。

ABSTRACT

An absolute measurement of the $\Lambda^{+}_c$ lifetime is reported using $\Lambda_c^+ ightarrow pK^-\pi^+$ decays in events reconstructed from data collected by the Belle II experiment at the SuperKEKB asymmetric-energy electron-positron collider. The total integrated luminosity of the data sample, which was collected at center-of-mass energies at or near the $\Upsilon(4S)$ resonance, is $207.2~\mbox{fb}^{-1}$. The result, $ au(\Lambda^{+}_c) = 203.20 \pm 0.89 \,\mathrm{(stat)} \pm 0.77 \,\mathrm{(syst)}$ fs, is the most precise measurement to date and is consistent with previous determinations.

研究动机与目标

• 利用大样本、高亮度的数据，对Λ⁺c baryon的绝对寿命进行高精度测量。
• 为测试粲夸克强子衰变的理论模型（尤其是重夸克展开HQE）提供关键的实验基准，该理论在描述粲强子寿命时因显著的价夸克效应而面临挑战。
• 通过提升实验输入精度，解决理论对粲强子衰变中非微扰效应描述的不一致问题。
• 相比以往的相对测量，显著降低系统误差，特别是与D⁺寿命相关的误差。

提出的方法

• 测量基于在Υ(4S)共振能区的e⁺e⁻碰撞中重建的Λ⁺c → pK⁻π⁺衰变道，数据总量为207.2 fb⁻¹。
• 采用运动学拟合方法重建Λ⁺c顶点并提升质量分辨率，通过施加对K⁻和π⁺质量的约束以增强信号纯度。
• 通过无模型扩展最大似然拟合方法，从重建的Λ⁺c候选事例的固有时间分布中提取寿命。
• 通过改变选择标准、探测器模拟参数以及背景建模（包括组合背景和误重建事件）来评估系统误差。
• 分析使用Belle II软件框架，包括基于GEANT4的探测器模拟和用于轨迹重建与粒子识别的工具。
• 最终结果以绝对寿命形式报告，统计与系统误差分开列出，并通过大量交叉检验和控制样本进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于当前数据，Λ⁺c baryon寿命的最精确绝对测量值是多少？

主要发现

• Λ⁺c baryon的绝对寿命测量结果为203.20 ± 0.89（统计）± 0.77（系统）fs，为迄今最精确的测定结果。
• 该结果与世界平均值202.4 ± 3.1 fs一致，但不确定性显著降低。
• 相比以往的绝对测量，总不确定度降低了约2.5倍，显著提升了对粲强子寿命测定的精度。
• 该结果为理论模型（如重夸克展开）提供了严格检验，尤其在描述粲强子中非微扰价夸克效应方面。
• 高精度测量使有效场论参数的约束更加严格，并有助于解决对Ξ⁰c和Ω⁰c寿命预测中的不一致问题。
• 该分析展示了Belle II实验在粲强子物理领域实现高精度寿命测量的能力，对低能QCD的检验具有重要意义。