[论文解读] Search for the doubly charmed baryon $\it{\Xi}_{cc}^{+}$ in the $\it{\Xi}_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$ final state

R. Aaij, A. S. W. Abdelmotteleb+1002 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 90被引用 2

一句话总结

本研究利用LHCb探测器在$\sqrt{s} = 13\,\text{TeV}$的质子-质子碰撞数据中搜索双粲重子$\Xi_{cc}^{+}$，通过重建$\Xi_{cc}^{+} \to \Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$衰变过程，其中$\Xi_{c}^{+} \to p K^{-} \pi^{+}$。未观测到显著信号；联合分析在3620 MeV/$c^2$处的全局显著性为2.9个标准差，表明可能存在但尚未确认的信号。

ABSTRACT

A search for the doubly charmed baryon $\it{\Xi}_{cc}^{+}$ is performed in the $\it{\Xi}_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$ invariant-mass spectrum, where the $\it{\Xi}_{c}^{+}$ baryon is reconstructed in the $p K^{-} \pi^{+}$ final state. The study uses proton-proton collision data collected with the LHCb detector at a centre-of-mass energy of 13$\mathrm{\,Te\kern -0.1em V}$, corresponding to a total integrated luminosity of 5.4$\,\mathrm{fb}^{-1}$. No significant signal is observed in the invariant-mass range of 3.4$-$3.8$\mathrm{\,Ge\kern -0.1em V}/c^2$. Upper limits are set on the ratio of branching fractions multiplied by the production cross-section with respect to the $\it{\Xi}_{cc}^{++} ightarrow (\it{\Xi}_{c}^{+} ightarrow p K^{-} \pi^{+}) \pi^{+}$ decay for different $\it{\Xi}_{cc}^{+}$ mass and lifetime hypotheses in the rapidity range from 2.0 to 4.5 and the transverse momentum range from 2.5 to 25$\mathrm{\,Ge\kern -0.1em V}/c$. The results from this search are combined with a previously published search for the $\it{\Xi}_{cc}^{+} ightarrow \it{\Lambda}_{c}^{+} K^{-} \pi^{+}$ decay mode, yielding a maximum local significance of 4.0 standard deviations around the mass of 3620$\mathrm{\,Me\kern -0.1em V}/c^2$, including systematic uncertainties. Taking into account the look-elsewhere effect in the 3.5$-$3.7$\mathrm{\,Ge\kern -0.1em V}/c^2$ mass window, the combined global significance is 2.9 standard deviations including systematic uncertainties.

研究动机与目标

• 利用$\sqrt{s} = 13\,\text{TeV}$的质子-质子碰撞数据，在$\Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$不变质量谱中搜索双粲重子$\Xi_{cc}^{+}$。
• 针对不同质量与寿命假设，设定$\Xi_{cc}^{+}$衰变的分支分数比与产生截面乘积的上限。
• 将本研究结果与先前在$\Xi_{cc}^{+} \to \Lambda_{c}^{+} K^{-} \pi^{+}$衰变模式中的搜索结果结合，以提高灵敏度。
• 评估在3.5–3.7 GeV/$c^2$质量范围内任何潜在信号的显著性，同时考虑‘他处查找’效应和系统不确定性。

提出的方法

• 利用LHCb探测器的数据，通过$p K^{-} \pi^{+}$末态重建$\Xi_{c}^{+}$重子。
• 构建$\Xi_{cc}^{+} \to \Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$不变质量谱，以寻找共振峰。
• 使用$\sqrt{s} = 13\,\text{TeV}$质子-质子碰撞的总积分亮度5.4 fb$^{-1}$。
• 在快度范围2.0–4.5和横动量范围2.5–25 GeV/$c$内应用选择条件，以定义信号区域。
• 将本研究结果与先前LHCb对$\Xi_{cc}^{+} \to \Lambda_{c}^{+} K^{-} \pi^{+}$衰变模式的搜索结果结合，以增强灵敏度。
• 计算局部显著性与全局显著性，校正‘他处查找’效应，并包含系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在3.4–3.8 GeV/$c^2$范围内，$\Xi_{cc}^{+} \to \Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$不变质量谱中是否存在共振峰的证据？
• RQ2 在不同质量与寿命假设下，$\Xi_{cc}^{+}$衰变的产生截面乘以分支分数比的上限是多少？
• RQ3 结合$\Xi_{cc}^{+} \to \Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$与$\Xi_{cc}^{+} \to \Lambda_{c}^{+} K^{-} \pi^{+}$衰变模式的结果，是否能获得统计上显著的信号？
• RQ4 在3.5–3.7 GeV/$c^2$窗口内，经过多重检验校正（即‘他处查找’效应）后，任何观测到的过量的全局显著性是多少？

主要发现

• 在3.4–3.8 GeV/$c^2$范围内，$\Xi_{cc}^{+} \to \Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$不变质量谱中未观测到显著信号。
• 结合$\Xi_{cc}^{+} \to \Xi_{c}^{+} \pi^{-} \pi^{+}$与$\Xi_{cc}^{+} \to \Lambda_{c}^{+} K^{-} \pi^{+}$衰变模式的分析，在3620 MeV/$c^2$质量处达到最大局部显著性4.0个标准差。
• 在3.5–3.7 GeV/$c^2$质量窗口内，经校正‘他处查找’效应后，全局显著性为2.9个标准差，包含系统不确定性。
• 针对不同质量与寿命假设，对$\Xi_{cc}^{+}$的分支分数比与产生截面乘积设定了上限。
• 结果表明在3620 MeV/$c^2$附近可能存在一个信号，但尚未达到5σ的发现阈值。
• 通过结合两种衰变模式，联合搜索的灵敏度得到提升，显著性估计优于单独分析的结果。