Search for $CP$ violation in $Ξ_c^+\toΣ^+h^+h^-$ and $Λ_c^+\to ph^+h^-$ at Belle II

Résumé technique : Recherche de la violation de la symétrie CP dans $\Xi^+_c \to \Sigma^+ h^+ h^-$ et $\Lambda^+_c \to p h^+ h^-$ à Belle II

Problématique et motivation
La violation de la symétrie de charge-parité (CP) a été établie dans les désintégrations de mésons étranges, charmés et bottom, ainsi que récemment dans les baryons bottom. Bien que le Modèle Standard (MS) explique avec succès les asymétries CP dans les désintégrations étranges et bottom, l'asymétrie CP mesurée dans les désintégrations de charme (spécifiquement la différence entre $D^0 \to K^+K^-$ et $D^0 \to \pi^+\pi^-$) manque d'une interprétation claire au sein du MS. Les modèles théoriques suggèrent que cette asymétrie pourrait provenir d'une physique au-delà du MS ou d'effets QCD non perturbatifs. De plus, les déterminations distinctes de ces asymétries par la collaboration LHCb indiquent une rupture inattendue de la symétrie U-spin, qui postule l'invariance sous l'échange des quarks down et strange.

Alors que la symétrie U-spin prédit des relations spécifiques entre les asymétries CP dans les désintégrations hadroniques à trois corps de baryons charmés, dont les désinsintégrations sont singulièrement cabibbo-supprimées, ces asymétries n'avaient pas été mesurées individuellement ou dans leurs sommes prédites. Cet article comble cette lacune dans les données expérimentales en rapportant les premières mesures des asymétries CP pour les désintégrations $\Xi^+_c \to \Sigma^+ h^+ h^-$ et $\Lambda^+_c \to p h^+ h^-$ (où $h = K, \pi$).

Méthodologie
L'analyse utilise 428 fb$^{-1}$ de données de collision $e^+e^-$ collectées par l'expérience Belle II au collisionneur SuperKEKB, correspondant à une luminosité intégrée proche de la résonance $\Upsilon(4S)$. L'étude se concentre sur quatre modes de désintégration de signal :

1. $\Xi^+_c \to \Sigma^+ K^+ K^-$
2. $\Xi^+_c \to \Sigma^+ \pi^+ \pi^-$
3. $\Lambda^+_c \to p K^+ K^-$
4. $\Lambda^+_c \to p \pi^+ \pi^-$

L'asymétrie de taux de désintégration, $A_{CP}$, est définie comme la différence entre les taux de désintégration de la particule et de l'antiparticule, normalisée par leur somme. Pour extraire cette valeur, la collaboration mesure l'asymétrie de rendement ($A_N$) et la corrige pour les asymétries de production ($A_p$) et les asymétries de détection ($A_d$).

• Suppression de l'asymétrie de production : Puisque $A_p$ est une fonction impaire du cosinus de l'angle polaire ($\cos \theta$) du moment de la quantité de mouvement du baryon charmé, l'analyse fait la moyenne des asymétries de rendement mesurées dans les régions avant ($\cos \theta > 0$) et arrière ($\cos \theta < 0$) pour supprimer cet effet.
• Annulation de l'asymétrie de détection : L'analyse utilise des canaux de contrôle pour annuler les asymétries de détection.
  • Pour $\Xi^+_c \to \Sigma^+ h^+ h^-$, l'asymétrie est déterminée en soustrayant l'asymétrie de rendement du canal de contrôle $\Lambda^+_c \to \Sigma^+ h^+ h^-$. Cela annule l'asymétrie de détection du baryon final ($\Sigma^+$).
  • Pour $\Lambda^+_c \to p h^+ h^-$, l'analyse soustrait l'asymétrie de $\Lambda^+_c \to p \pi^+ K^-$ et ajoute l'asymétrie de $D^0 \to \pi^+ K^- \pi^+ \pi^-$. Cette procédure annule les asymétries de détection pour le proton, le kaon et le pion.
  • Une pondération cinématique est appliquée aux candidats des canaux de contrôle pour s'assurer que les distributions de moment et de $\cos \theta$ correspondent à celles des canaux de signal, garantissant que l'annulation des effets de détection est valide.
• Extraction des rendements : Les rendements sont déterminés en effectuant des ajustements de maximum de vraisemblance non bornés étendus simultanés sur les distributions de masse invariante des candidats de signal et de contrôle, séparés par charge et par régions avant/arrière. Les formes de signal sont modélisées par des fonctions Crystal Ball à double côté, et les fonds par des droites.

Contributions clés et résultats
Ce travail présente les premières mesures des asymétries CP pour des désintégrations individuelles de baryons charmés hadroniques à trois corps. Les asymétries mesurées sont :

• $A_{CP}(\Xi^+_c \to \Sigma^+ K^+ K^-) = (3,7 \pm 6,6 \pm 0,6)\%$
• $A_{CP}(\Xi^+_c \to \Sigma^+ \pi^+ \pi^-) = (9,5 \pm 6,8 \pm 0,5)\%$
• $A_{CP}(\Lambda^+_c \to p K^+ K^-) = (3,9 \pm 1,7 \pm 0,7)\%$
• $A_{CP}(\Lambda^+_c \to p \pi^+ \pi^-) = (0,3 \pm 1,0 \pm 0,2)\%$

Dans tous les cas, la première incertitude est statistique et la seconde est systématique. Les résultats sont cohérents avec la symétrie CP (asymétrie nulle).

L'article dérive également les sommes de ces asymétries, qui sont prédites nulles sous la symétrie U-spin :

• $A_{CP}(\Xi^+_c \to \Sigma^+ \pi^+ \pi^-) + A_{CP}(\Lambda^+_c \to p K^+ K^-) = (13,4 \pm 7,0 \pm 0,9)\%$
• $A_{CP}(\Xi^+_c \to \Sigma^+ K^+ K^-) + A_{CP}(\Lambda^+_c \to p \pi^+ \pi^-) = (4,0 \pm 6,6 \pm 0,7)\%$

Ces sommes sont cohérentes avec la prédiction de la symétrie U-spin qui est de zéro.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment qu'il s'agit des premières mesures mondiales des asymétries CP pour des désintégrations individuelles de baryons charmés hadroniques à trois corps. Les résultats concordent avec la symétrie CP et sont cohérents avec les prédictions de la symétrie U-spin. L'article souligne que les incertitudes sont principalement d'origine statistique. Par conséquent, les auteurs concluent que les mesures futures utilisant des jeux de données plus importants de l'expérience Belle II seront cruciales pour rechercher précisément la violation de la symétrie CP et tester les règles de somme U-spin dans le secteur du charme. L'article ne revendique pas de preuve de nouvelle physique mais établit les mesures de base nécessaires pour ces tests futurs.