[论文解读] Weak phases and CP-symmetry tests in sequential decays of entangled double-strange baryons

F. De Mori, М. Н. Ачасов+517 more|GSI Repository (German Federal Government)|May 24, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用 8

一句话总结

本研究利用来自 $J/\psi \to \Xi^{-}\overline{\Xi}^{+}$ 衰变的纠缠双奇异重子，首次直接测量了重子衰变中的弱相位差。通过完整重建衰变链并利用量子纠缠，BESIII合作组精确测量了衰变参数，并进行了两项独立的CP破坏检验，结果与CP对称性一致，报告的弱相位差为 $(\xi_P - \xi_S) = (1.2 \pm 3.4 \pm 0.8) \times 10^{-2}$ 弧度。

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

研究动机与目标

• 对纠缠 $\Xi^{-}\overline{\Xi}^{+}$ 重子的级联衰变中的衰变参数 $\alpha_{\Xi}$、$\phi_{\Xi}$、$\overline{\alpha}_{\Xi}$ 和 $\overline{\phi}_{\Xi}$ 进行精确测量。
• 利用两个独立可观测量 $A_{\rm CP}^{\Xi}$ 和 $\Delta\phi_{\Xi}$，在奇异重子衰变中检验CP对称性。
• 首次将 $\Xi \to \Lambda\pi$ 衰变中的强衰变振幅与弱衰变振幅分离，从而实现对弱相位差的直接测量。
• 提供对 $\Lambda$ 衰变参数 $\alpha_{\Lambda}$ 和 $\Lambda\overline{\Lambda}$ CP不对称性的独立测量。
• 评估追踪效率、运动学拟合、质量窗口、衰变长度以及质心系中角分布等系统性不确定度。

提出的方法

• 利用BESIII探测器在BEPCII上收集的 $1.31 \times 10^9$ 个 $J/\psi$ 事例，研究完整的衰变链 $J/\psi \to \Xi^{-}\overline{\Xi}^{+} \to \Lambda\pi^{-}\overline{\Lambda}\pi^{+} \to p\pi^{-}\overline{p}\pi^{+}$。
• 采用一种新方法，利用 $\Xi^{-}\overline{\Xi}^{+}$ 对的量子纠缠特性，并完整重建衰变链，以提取衰变参数和CP破坏可观测量。
• 对末态粒子的角分布进行最大似然拟合，同时引入运动学约束和粒子识别。
• 通过修改追踪效率模型、质量窗口选择、衰变长度截断和角响应修正，系统评估各类系统性不确定度来源。
• 通过基于 $p_T$ 和 $\cos\theta$ 的迭代追踪效率修正，最小化参数提取中的偏差。
• 对 $|\cos\theta_{\Xi,\rm c.m.}| < 0.84$ 施加截断，以减轻高角度区域的数据-蒙特卡罗差异，其残余影响已包含在系统性不确定度中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在任意重子衰变中，弱相位差 $\xi_P - \xi_S$ 的首次直接测量结果是什么？
• RQ2 CP破坏可观测量 $A_{\rm CP}^{\Xi}$ 和 $\Delta\phi_{\Xi}$ 偏离零的程度如何，表明是否存在CP破坏？
• RQ3 利用纠缠态，$\Xi^{-} \to \Lambda\pi^{-}$ 和 $\overline{\Xi}^{+} \to \overline{\Lambda}\pi^{+}$ 衰变参数 $\alpha_{\Xi}$、$\phi_{\Xi}$、$\overline{\alpha}_{\Xi}$ 和 $\overline{\phi}_{\Xi}$ 的测量精度如何？
• RQ4 对 $\Lambda$ 衰变参数 $\alpha_{\Lambda}$ 的独立测量结果是什么？其与以往结果相比如何？
• RQ5 测量衰变参数和CP不对称性时，主要的系统性不确定度来源是什么？

主要发现

• CP破坏不对称性 $A_{\rm CP}^{\Xi}$ 测量结果为 $(6.0 \pm 13.4 \pm 5.6) \times 10^{-3}$，与零一致，因此与CP对称性一致。
• 相位差 $\Delta\phi_{\Xi}$ 测量结果为 $(-4.8 \pm 13.7 \pm 2.9) \times 10^{-3}$ 弧度，同样与CP守恒一致。
• 首次直接测量到弱相位差 $\xi_P - \xi_S$，结果为 $(1.2 \pm 3.4 \pm 0.8) \times 10^{-2}$ 弧度，是奇异重子中CP对称性最精确的检验之一。
• 强相位差 $\delta_P - \delta_S$ 测量结果为 $(-4.0 \pm 3.3 \pm 1.7) \times 10^{-2}$ 弧度，为 $\Xi \to \Lambda\pi$ 衰变的动力学提供了新见解。
• 独立测量得到 $\Lambda$ 衰变参数为 $\alpha_{\Lambda} = 0.757 \pm 0.011 \pm 0.008$，与以往测量结果一致。
• $\Lambda\overline{\Lambda}$ CP不对称性 $A_{\rm CP}^{\Lambda}$ 测量结果为 $(-3.7 \pm 11.7 \pm 9.0) \times 10^{-3}$，与CP守恒一致。