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

Sintesi Tecnica: Ricerca della violazione di CP in $\Xi^+_c \to \Sigma^+ h^+ h^-$ e $\Lambda^+_c \to p h^+ h^-$ al Belle II

Problema e Motivazione
La violazione della simmetria di carica-parità (CP) è stata stabilita nei decadimenti di mesoni strani, charm e bottom, nonché recentemente nei barioni bottom. Mentre il Modello Standard (SM) spiega con successo le asimmetrie CP nei decadimenti di particelle strane e bottom, l'asimmetria CP misurata nei decadimenti charm (specificamente la differenza tra $D^0 \to K^+K^-$ e $D^0 \to \pi^+\pi^-$) manca di un'interpretazione chiara nel contesto del SM. I modelli teorici suggeriscono che questa asimmetria potrebbe derivare dalla fisica oltre il Modello Standard o da effetti non perturbativi della QCD. Inoltre, le determinazioni separate delle asimmetrie effettuate dalla collaborazione LHCb indicano una rottura inaspettatamente grande della simmetria U-spin, la quale postula l'invarianza sotto lo scambio di quark down e strange.

Mentre la simmetria U-spin prevede relazioni specifiche tra le asimmetrie CP nei decadimenti di barioni charm adronici a tre corpi e con soppressione singola di Cabibbo, queste asimmetrie non erano state ancora misurate individualmente o nelle loro somme previste. Questo articolo affronta la lacuna nei dati sperimentali riportando le prime misure delle asimmetrie CP per i decadimenti $\Xi^+_c \to \Sigma^+ h^+ h^-$ e $\Lambda^+_c \to p h^+ h^-$ (dove $h = K, \pi$).

Metodologia
L'analisi utilizza 428 fb$^{-1}$ di dati di collisioni $e^+e^-$ raccolti dall'esperimento Belle II al collisore SuperKEKB, corrispondenti a una luminosità integrata prossima alla risonanza $\Upsilon(4S)$. Lo studio si concentra su quattro modalità di decadimento del segnale:

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'asimmetria del tasso di decadimento, $A_{CP}$, è definita come la differenza tra i tassi di decadimento tra la particella e l'antiparticella, normalizzata per la loro somma. Per estrarre questo valore, la collaborazione misura l'asimmetria di resa ($A_N$) e la corregge per le asimmetrie di produzione ($A_p$) e di rilevamento ($A_d$).

• Soppressione dell'Asimmetria di Produzione: Poiché $A_p$ è una funzione dispari del coseno dell'angolo polare ($\cos \theta$) del momento del barione charm, l'analisi media le asimmetrie di resa misurate nelle regioni forward ($\cos \theta > 0$) e backward ($\cos \theta < 0$) per sopprimere questo effetto.
• Cancellazione dell'Asimmetria di Rilevamento: L'analisi impiega canali di controllo per cancellare le asimmetrie di rilevamento.
  • Per $\Xi^+_c \to \Sigma^+ h^+ h^-$, l'asimmetria è determinata sottraendo l'asimmetria di resa del canale di controllo $\Lambda^+_c \to \Sigma^+ h^+ h^-$. Ciò cancella l'asimmetria di rilevamento del barione dello stato finale ($\Sigma^+$).
  • Per $\Lambda^+_c \to p h^+ h^-$, l'analisi sottrae l'asimmetria di $\Lambda^+_c \to p \pi^+ K^-$ e aggiunge l'asimmetria di $D^0 \to \pi^+ K^- \pi^+ \pi^-$. Questa procedura cancella le asimmetrie di rilevamento per il protone, il kaone e il pione.
  • Viene applicata una ponderazione cinematica ai candidati dei canali di controllo per garantire che le distribuzioni di momento e $\cos \theta$ corrispondano a quelle dei canali di segnale, assicurando che la cancellazione degli effetti di rilevamento sia valida.
• Estrazione della Resa: Le rese sono determinate eseguendo fit simultanei di massima verosimiglianza non binari estesi sulle distribuzioni di massa invariante dei candidati di segnale e di controllo, separati per carica e per regione forward/backward. Le forme del segnale sono modellate con funzioni Crystal Ball a doppia coda e i background con linee rette.

Contributi Chiave e Risultati
Questo lavoro presenta le prime misure delle asimmetrie CP per i singoli decadimenti di barioni charm adronici a tre corpi. Le asimmetrie misurate sono:

• $A_{CP}(\Xi^+_c \to \Sigma^+ K^+ K^-) = (3.7 \pm 6.6 \pm 0.6)\%$
• $A_{CP}(\Xi^+_c \to \Sigma^+ \pi^+ \pi^-) = (9.5 \pm 6.8 \pm 0.5)\%$
• $A_{CP}(\Lambda^+_c \to p K^+ K^-) = (3.9 \pm 1.7 \pm 0.7)\%$
• $A_{CP}(\Lambda^+_c \to p \pi^+ \pi^-) = (0.3 \pm 1.0 \pm 0.2)\%$

In tutti i casi, la prima incertezza è statistica e la seconda è sistematica. I risultati sono coerenti con la simmetria CP (asimmetria nulla).

Il documento deriva anche le somme di queste asimmetrie, che sono previste essere nulle sotto la simmetria U-spin:

• $A_{CP}(\Xi^+_c \to \Sigma^+ \pi^+ \pi^-) + A_{CP}(\Lambda^+_c \to p K^+ K^-) = (13.4 \pm 7.0 \pm 0.9)\%$
• $A_{CP}(\Xi^+_c \to \Sigma^+ K^+ K^-) + A_{CP}(\Lambda^+_c \to p \pi^+ \pi^-) = (4.0 \pm 6.6 \pm 0.7)\%$

Queste somme sono coerenti con la previsione di zero della simmetria U-spin.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori affermano che queste sono le prime misure al mondo delle asimmetrie CP per i singoli decadimenti di barioni charm adronici a tre corpi. I risultati concordano con la simmetria CP e sono coerenti con le previsioni della simmetria U-spin. Il documento sottolinea che le incertezze sono prevalentemente di origine statistica. Di conseguenza, gli autori concludono che misurazioni future che utilizzano dataset più ampi dall'esperimento Belle II saranno cruciali per cercare con precisione la violazione di CP e testare le regole di somma U-spin nel settore charm. Il documento non rivendica evidenza di nuova fisica, ma stabilisce le misurazioni di base necessarie per tali futuri test.