Measurement of the branching fractions of the decays Λc+→ΛKS0K+, Λc+→ΛKS0π+ and Λc+→ΛK∗+
BESIII検出器で収集された4.5 fb−1のe+e−衝突データを用い、本研究は単一カビボ抑制崩壊Λc+→ΛKS0π+の初観測を報告し、Λc+→ΛKS0K+およびΛc+→ΛKS0π+の両方の分岐比に関する最も精密な測定値を提供し、後者の崩壊におけるK∗+の寄与の証拠を見出した。
原著者: BESIII Collaboration, M. Ablikim, M. N. Achasov, P. Adlarson, O. Afedulidis, X. C. Ai, R. Aliberti, A. Amoroso, Q. An, Y. Bai, O. Bakina, I. Balossino, Y. Ban, H. -R. Bao, V. Batozskaya, K. Begzsuren, N. Berger, M. Berlowski, M. Bertani, D. Bettoni, F. Bianchi, E. Bianco, A. Bortone, I. Boyko, R. A. Briere, A. Brueggemann, H. Cai, X. Cai, A. Calcaterra, G. F. Cao, N. Cao, S. A. Cetin, J. F. Chang, G. R. Che, G. Chelkov, C. Chen, C. H. Chen, Chao Chen, G. Chen, H. S. Chen, H. Y. Chen, M. L. Chen, S. J. Chen, S. L. Chen, S. M. Chen, T. Chen, X. R. Chen, X. T. Chen, Y. B. Chen, Y. Q. Chen, Z. J. Chen, Z. Y. Chen, S. K. Choi, G. Cibinetto, F. Cossio, J. J. Cui, H. L. Dai, J. P. Dai, A. Dbeyssi, R. E. de Boer, D. Dedovich, C. Q. Deng, Z. Y. Deng, A. Denig, I. Denysenko, M. Destefanis, F. De Mori, B. Ding, X. X. Ding, Y. Ding, Y. Ding, J. Dong, L. Y. Dong, M. Y. Dong, X. Dong, M. C. Du, S. X. Du, Y. Y. Duan, Z. H. Duan, P. Egorov, Y. H. Fan, J. Fang, J. Fang, S. S. Fang, W. X. Fang, Y. Fang, Y. Q. Fang, R. Farinelli, L. Fava, F. Feldbauer, G. Felici, C. Q. Feng, J. H. Feng, Y. T. Feng, M. Fritsch, C. D. Fu, J. L. Fu, Y. W. Fu, H. Gao, X. B. Gao, Y. N. Gao, Yang Gao, S. Garbolino, I. Garzia, L. Ge, P. T. Ge, Z. W. Ge, C. Geng, E. M. Gersabeck, A. Gilman, K. Goetzen, L. Gong, W. X. Gong, W. Gradl, S. Gramigna, M. Greco, M. H. Gu, Y. T. Gu, C. Y. Guan, A. Q. Guo, L. B. Guo, M. J. Guo, R. P. Guo, Y. P. Guo, A. Guskov, J. Gutierrez, K. L. Han, T. T. Han, F. Hanisch, X. Q. Hao, F. A. Harris, K. K. He, K. L. He, F. H. Heinsius, C. H. Heinz, Y. K. Heng, C. Herold, T. Holtmann, P. C. Hong, G. Y. Hou, X. T. Hou, Y. R. Hou, Z. L. Hou, B. Y. Hu, H. M. Hu, J. F. Hu, S. L. Hu, T. Hu, Y. Hu, G. S. Huang, K. X. Huang, L. Q. Huang, X. T. Huang, Y. P. Huang, Y. S. Huang, T. Hussain, F. Hölzken, N. Hüsken, N. in der Wiesche, J. Jackson, S. Janchiv, J. H. Jeong, Q. Ji, Q. P. Ji, W. Ji, X. B. Ji, X. L. Ji, Y. Y. Ji, X. Q. Jia, Z. K. Jia, D. Jiang, H. B. Jiang, P. C. Jiang, S. S. Jiang, T. J. Jiang, X. S. Jiang, Y. Jiang, J. B. Jiao, J. K. Jiao, Z. Jiao, S. Jin, Y. Jin, M. Q. Jing, X. M. Jing, T. Johansson, S. Kabana, N. Kalantar-Nayestanaki, X. L. Kang, X. S. Kang, M. Kavatsyuk, B. C. Ke, V. Khachatryan, A. Khoukaz, R. Kiuchi, O. B. Kolcu, B. Kopf, M. Kuessner, X. Kui, N. Kumar, A. Kupsc, W. Kühn, J. J. Lane, P. Larin, L. Lavezzi, T. T. Lei, Z. H. Lei, M. Lellmann, T. Lenz, C. Li, C. Li, C. H. Li, Cheng Li, D. M. Li, F. Li, G. Li, H. B. Li, H. J. Li, H. N. Li, Hui Li, J. R. Li, J. S. Li, K. Li, L. J. Li, L. K. Li, Lei Li, M. H. Li, P. R. Li, Q. M. Li, Q. X. Li, R. Li, S. X. Li, T. Li, W. D. Li, W. G. Li, X. Li, X. H. Li, X. L. Li, X. Y. Li, X. Z. Li, Y. G. Li, Z. J. Li, Z. Y. Li, C. Liang, H. Liang, H. Liang, Y. F. Liang, Y. T. Liang, G. R. Liao, L. Z. Liao, Y. P. Liao, J. Libby, A. Limphirat, C. C. Lin, D. X. Lin, T. Lin, B. J. Liu, B. X. Liu, C. Liu, C. X. Liu, F. Liu, F. H. Liu, Feng Liu, G. M. Liu, H. Liu, H. B. Liu, H. H. Liu, H. M. Liu, Huihui Liu, J. B. Liu, J. Y. Liu, K. Liu, K. Y. Liu, Ke Liu, L. Liu, L. C. Liu, Lu Liu, M. H. Liu, P. L. Liu, Q. Liu, S. B. Liu, T. Liu, W. K. Liu, W. M. Liu, X. Liu, X. Liu, Y. Liu, Y. Liu, Y. B. Liu, Z. A. Liu, Z. D. Liu, Z. Q. Liu, X. C. Lou, F. X. Lu, H. J. Lu, J. G. Lu, X. L. Lu, Y. Lu, Y. P. Lu, Z. H. Lu, C. L. Luo, J. R. Luo, M. X. Luo, T. Luo, X. L. Luo, X. R. Lyu, Y. F. Lyu, F. C. Ma, H. Ma, H. L. Ma, J. L. Ma, L. L. Ma, M. M. Ma, Q. M. Ma, R. Q. Ma, T. Ma, X. T. Ma, X. Y. Ma, Y. Ma, Y. M. Ma, F. E. Maas, M. Maggiora, S. Malde, Y. J. Mao, Z. P. Mao, S. Marcello, Z. X. Meng, J. G. Messchendorp, G. Mezzadri, H. Miao, T. J. Min, R. E. Mitchell, X. H. Mo, B. Moses, N. Yu. Muchnoi, J. Muskalla, Y. Nefedov, F. Nerling, L. S. Nie, I. B. Nikolaev, Z. Ning, S. Nisar, Q. L. Niu, W. D. Niu, Y. Niu, S. L. Olsen, Q. Ouyang, S. Pacetti, X. Pan, Y. Pan, A. Pathak, P. Patteri, Y. P. Pei, M. Pelizaeus, H. P. Peng, Y. Y. Peng, K. Peters, J. L. Ping, R. G. Ping, S. Plura, V. Prasad, F. Z. Qi, H. Qi, H. R. Qi, M. Qi, T. Y. Qi, S. Qian, W. B. Qian, C. F. Qiao, X. K. Qiao, J. J. Qin, L. Q. Qin, L. Y. Qin, X. P. Qin, X. S. Qin, Z. H. Qin, J. F. Qiu, Z. H. Qu, C. F. Redmer, K. J. Ren, A. Rivetti, M. Rolo, G. Rong, Ch. Rosner, S. N. Ruan, N. Salone, A. Sarantsev, Y. Schelhaas, K. Schoenning, M. Scodeggio, K. Y. Shan, W. Shan, X. Y. Shan, Z. J. Shang, J. F. Shangguan, L. G. Shao, M. Shao, C. P. Shen, H. F. Shen, W. H. Shen, X. Y. Shen, B. A. Shi, H. Shi, H. C. Shi, J. L. Shi, J. Y. Shi, Q. Q. Shi, S. Y. Shi, X. Shi, J. J. Song, T. Z. Song, W. M. Song, Y. J. Song, Y. X. Song, S. Sosio, S. Spataro, F. Stieler, Y. J. Su, G. B. Sun, G. X. Sun, H. Sun, H. K. Sun, J. F. Sun, K. Sun, L. Sun, S. S. Sun, T. Sun, W. Y. Sun, Y. Sun, Y. J. Sun, Y. Z. Sun, Z. Q. Sun, Z. T. Sun, C. J. Tang, G. Y. Tang, J. Tang, M. Tang, Y. A. Tang, L. Y. Tao, Q. T. Tao, M. Tat, J. X. Teng, V. Thoren, W. H. Tian, Y. Tian, Z. F. Tian, I. Uman, Y. Wan, S. J. Wang, B. Wang, B. L. Wang, Bo Wang, D. Y. Wang, F. Wang, H. J. Wang, J. J. Wang, J. P. Wang, K. Wang, L. L. Wang, M. Wang, N. Y. Wang, S. Wang, S. Wang, T. Wang, T. J. Wang, W. Wang, W. Wang, W. P. Wang, X. Wang, X. F. Wang, X. J. Wang, X. L. Wang, X. N. Wang, Y. Wang, Y. D. Wang, Y. F. Wang, Y. L. Wang, Y. N. Wang, Y. Q. Wang, Yaqian Wang, Yi Wang, Z. Wang, Z. L. Wang, Z. Y. Wang, Ziyi Wang, D. H. Wei, F. Weidner, S. P. Wen, Y. R. Wen, U. Wiedner, G. Wilkinson, M. Wolke, L. Wollenberg, C. Wu, J. F. Wu, L. H. Wu, L. J. Wu, X. Wu, X. H. Wu, Y. Wu, Y. H. Wu, Y. J. Wu, Z. Wu, L. Xia, X. M. Xian, B. H. Xiang, T. Xiang, D. Xiao, G. Y. Xiao, S. Y. Xiao, Y. L. Xiao, Z. J. Xiao, C. Xie, X. H. Xie, Y. Xie, Y. G. Xie, Y. H. Xie, Z. P. Xie, T. Y. Xing, C. F. Xu, C. J. Xu, G. F. Xu, H. Y. Xu, M. Xu, Q. J. Xu, Q. N. Xu, W. Xu, W. L. Xu, X. P. Xu, Y. C. Xu, Z. P. Xu, Z. S. Xu, F. Yan, L. Yan, W. B. Yan, W. C. Yan, X. Q. Yan, H. J. Yang, H. L. Yang, H. X. Yang, T. Yang, Y. Yang, Y. F. Yang, Y. F. Yang, Y. X. Yang, Z. W. Yang, Z. P. Yao, M. Ye, M. H. Ye, J. H. Yin, Z. Y. You, B. X. Yu, C. X. Yu, G. Yu, J. S. Yu, T. Yu, X. D. Yu, Y. C. Yu, C. Z. Yuan, J. Yuan, J. Yuan, L. Yuan, S. C. Yuan, Y. Yuan, Z. Y. Yuan, C. X. Yue, A. A. Zafar, F. R. Zeng, S. H. Zeng, X. Zeng, Y. Zeng, Y. J. Zeng, Y. J. Zeng, X. Y. Zhai, Y. C. Zhai, Y. H. Zhan, A. Q. Zhang, B. L. Zhang, B. X. Zhang, D. H. Zhang, G. Y. Zhang, H. Zhang, H. Zhang, H. C. Zhang, H. H. Zhang, H. H. Zhang, H. Q. Zhang, H. R. Zhang, H. Y. Zhang, J. Zhang, J. Zhang, J. J. Zhang, J. L. Zhang, J. Q. Zhang, J. S. Zhang, J. W. Zhang, J. X. Zhang, J. Y. Zhang, J. Z. Zhang, Jianyu Zhang, L. M. Zhang, Lei Zhang, P. Zhang, Q. Y. Zhang, R. Y. Zhang, S. H. Zhang, Shulei Zhang, X. D. Zhang, X. M. Zhang, X. Y. Zhang, Y. Zhang, Y. Zhang, Y. T. Zhang, Y. H. Zhang, Y. M. Zhang, Yan Zhang, Z. D. Zhang, Z. H. Zhang, Z. L. Zhang, Z. Y. Zhang, Z. Y. Zhang, Z. Z. Zhang, G. Zhao, J. Y. Zhao, J. Z. Zhao, L. Zhao, Lei Zhao, M. G. Zhao, N. Zhao, R. P. Zhao, S. J. Zhao, Y. B. Zhao, Y. X. Zhao, Z. G. Zhao, A. Zhemchugov, B. Zheng, B. M. Zheng, J. P. Zheng, W. J. Zheng, Y. H. Zheng, B. Zhong, X. Zhong, H. Zhou, J. Y. Zhou, L. P. Zhou, S. Zhou, X. Zhou, X. K. Zhou, X. R. Zhou, X. Y. Zhou, Y. Z. Zhou, J. Zhu, K. Zhu, K. J. Zhu, K. S. Zhu, L. Zhu, L. X. Zhu, S. H. Zhu, S. Q. Zhu, T. J. Zhu, W. D. Zhu, Y. C. Zhu, Z. A. Zhu, J. H. Zou, J. Zu
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亜原子の世界では、物質はクォークと呼ばれる少数の基本的な粒子から構成されています。これらの微小な構成要素は3つずつ結びつき、バリオンとして知られる粒子を形成します。最も一般的なバリオンの一つは陽子であり、あらゆる原子の中心に位置しています。しかし、自然界は、重いチャームクォークを含むチャームバリオンのような、より重く不安定な「従兄弟」も生み出します。これらの重い粒子は不安定であるため、長くは存在できません。それらはすぐに、より軽く安定した粒子へと崩壊します。この崩壊と呼ばれるプロセスは、自然界の4つの基本力のひとつである弱い力によって支配されています。物理学者は、これらの重い粒子がどのように崩壊するかを観察し、特定の崩壊経路がどの程度の頻度で発生するかを測定することで、宇宙を支配する規則への理解をテストすることができます。数十年にわたり、科学者たちは2つのクォークからなる重い粒子であるメソンの規則をマッピングすることに非常に成功してきました。しかし、3つのクォークからなるバリオンの挙動は予測や理解がはるかに困難であり、これらの複雑な系における強い力と弱い力の相互作用に関する知識に大きな空白を残しています。
北京のBESIII検出器を用いた研究チームは、現在、その空白を埋めるための大きな一歩を踏み出しました。彼らは、4.5 fb⁻¹の積分ルミノシティに相当する膨大な衝突データのコレクションを分析し、チャームバリオン、具体的にはΛc+がどのように崩壊するかを研究しました。チームは、このバリオンがラムダ粒子(より軽いバリオン)とストレンジクォークを含む他の粒子へと崩壊するという、3つの特定の崩壊経路に焦点を当てました。これら2つの崩壊経路は以前にも見られていましたが、1つは直接観測されたことがありませんでした。研究者たちはこれら3つの崩壊すべての頻度を測定することに成功し、これらのイベントに対してこれまでで最も精密な数値を記録しました。特筆すべきは、理論によってのみ予測されていた崩壊モードの存在を確認したこと、そして、粒子の量子波がどのように干渉し合うかによってその関与の性質が変わるものの、特定の中間粒子であるK∗+がプロセスの一つにおいて役割を果たしている証拠を見出したことです。
この実験は、電子とその反物質である陽電子のビームを、厳密に制御されたエネルギーで衝突させる北京電子陽電子衝突装置で行われました。これらの粒子が衝突すると、重いチャームバリオンとその反粒子が一時的に生成されることがあります。BESIII検出器は、衝突から飛び出してくるあらゆる粒子の軌跡とエネルギーを記録する、巨大な高速カメラのような役割を果たします。研究者たちは、Λc+がラムダ粒子、中性K中間子(これは自身がすぐに2つのパイ中間子へと変化します)、そして電荷を持つK中間子またはパイ中間子のいずれかと共に崩れる稀な事例を見つけ出すために、データを精査しました。これらの崩壊連鎖は複数のステップと多くの異なる粒子を含むため、チームは真の信号を他のランダムな粒子衝突による背景ノイズから区別するために、極めて慎細に行動しなければなりませんでした。彼らは、自身の検出器がこれらの特定のイベントに対してどのように反応するかを理解し、それらを特定できる効率を計算するために、高度なコンピュータシミュレーションを用いました。
この研究は、3つの崩壊モードすべてについて明確な結果をもたらしました。チームは、Λc+がラムダ、中性K中間子、および電荷を持つK中間子へと崩壊する確率を、1000回の崩壊につき約3.04と測定しました。この結果は、より大きな精度をもって従来の測定値と一致しており、不確実性の範囲を大幅に狭めました。より重要なことに、彼らはラムダ、中性K中間子、および電荷を持つパイ中間子への崩壊を初めて観測しました。これは「単一カビボ抑制(singly Cabibbo-suppressed)」崩壊と呼ばれるもので、理論的には許容されているものの、最も一般的な崩壊経路よりも頻度が低いプロセスを指します。研究者たちは、これが1000回の崩壊につき約1.73回起こることを発見しました。この数値は、対称性の原理に基づく一部の理論モデルによる予測よりも著しく低く、これらの重いバリオン崩壊に関する現在の理解を再検討する必要があることを示唆しています。
全体的な割合を測定することに加え、チームは電荷を持つパイ中間子を含む崩壊の内部構造を調査しました。彼らは、この崩壊が、K∗+と呼ばれる短寿命の粒子が形成されてから崩壊するという中間段階を経て進むことが多いという、4.7標準偏差の統計的有意性を持つ強い証拠を見出しました。しかし、この中間粒子は幅が広く、データサンプルも限られているため、研究者たちはこの特定の経路に対して単一の決定的な割合を特定することはできませんでした。代わりに、異なる崩壊経路の量子波がどのように重なり合い、干渉するかという点に関して、3つの異なるシナリオの下で確率を計算しました。この干渉の位相に応じて、K∗+の寄与の確率は1000回の崩河につき約1.29から5.21の範囲に及びます。直接的なラムダ、中性K中間子、およびパイ中間子への崩壊率が理論的期待値よりも低いこと、および中間的なK∗+の複雑な挙動を併せて考えると、これらの重いバリオンの内部で作用している力は、これまで考えられていたよりも複雑であることを示しています。研究者が述べているように、これらのメカニズムを確定させ、チャームバリオンの崩壊パターンを完全に理解するためには、さらに大きな衝突数を持つ将来のデータセットが不可欠です。
技術要約:Λc+ 崩壊における分岐比の測定
問題と動機
過去20年間にわたり、重いメソンの弱崩壊における実験的および理論的な進展は著しいものがあるが、重いバリオンの研究は、標準的な因子化手法の適用を制限する三クォーク系の複雑さにより、進展がより緩やかである。具体的には、Λc+→ΛX および Λc+→KS0X の包含分岐比(BF)は、それぞれ約 (38.2−2.2+2.8±0.9)% および (9.9±0.6±0.4)% であることが知られている。しかし、これらの最終状態を含む既知の排他的モードの総和は、それぞれ合計の約30.4%および8.1%に過ぎない。この不一致は、未発見の未知の崩壊モードが相当数残されていることを示唆している。
Λc+ の崩壊は c→s 遷移によって支配されている。一つのストレンジ粒子を含む崩壊は調査されてきたが、Λc+ が Λ バリオンとともに少なくとも一つのストレンジ粒子(具体的には ΛKS0K+ および ΛKS0π+)を伴って崩壊するモードは、理論的に予測されているものの、実験的な探索は依然として少ない。本論文は、カビボ許容崩壊である Λc+→ΛKS0K+ の測定、および単一カビボ抑制崩壊である Λc+→ΛKS0π+ の初の探索、ならびに中間レゾナント寄与である Λc+→ΛK∗+ について扱うものである。
手法
本解析では、重心エネルギーが 4599.53 MeV から 4698.82 MeV の範囲にある BESIII 実験器による電子・陽電子衝突データを活用している。データセットは 4.5 fb−1 の積分ルミノシティに相当する。
- イベント選択: シグナル候補は5本の荷電トラックから再構成される。Λ および KS0 の候補は、それぞれ pπ− および π+π− の組み合わせから形成され、特定の頂点および不変質量制約が課される。粒子識別(PID)は、飛行時間(TOF)および比イオン化エネルギー損失($dE/dx$)の情報を用いて行われる。
- 運動学的変数: 候補は、エネルギー差(ΔE)およびビーム拘束質量(MBC)を用いて孤立させられる。
- シグナル抽出:
- Λc+→ΛKS0K+ については、MBC および M(pπ−) の分布に対して2次元(2-D)拡張非分岐最大尤度フィットを行う。誤った KS0 組み合わせによる背景事象は、サイドバンド領域を用いて推定される。
- Λc+→ΛKS0π+ については、MBC、M(π+π−)、および M(KS0π+) に関する3次元(3-D)拡張非分岐最大尤度フィットを実施する。この解析では、非共鳴(NR)成分である Λc+→ΛKS0π+ の振幅と、共鳴成分である Λc+→ΛK∗+ の振幅の間の干渉を考慮する。干渉は相対位相角 θ0 を通じてモデル化される。
- 効率と系統誤差: 検出効率は、位相空間(PHSP)モデルおよび干渉を考慮したモデルを含むモンテカルロ(MC)シミュレーションを用いて決定される。系統誤差は、PID、トラッキング、中間状態の再構成、フィット形状、背景パラメータ化、およびMC統計に関して評価される。
主要な結果
本論文は以下の測定結果を報告している。
- Λc+→ΛKS0K+: 分岐比は (3.04±0.30±0.16)×10−3 と測定された。この結果は粒子データグループ(PDG)の平均値と一致しているが、精度が向上している。シグナルは 10.6σ の統計的有意さで観測された。
- Λc+→ΛKS0π+: この単一カビボ抑制崩壊は、統計的有意さ 8.9σ で初めて観測された。測定された分岐比は (1.73±0.27±0.10)×10−3 である。この値は、SU(3) フレーバー対称性に基づく理論予測 (4.4±0.7)×10−3 よりも約 4σ 低い。
- Λc+→ΛK∗+: Λc+→ΛKS0π+ 崩壊におけるこの中間レゾナント寄与の証拠が、統計的有意さ 4.7σ(系統誤差を考慮した後で 4.66σ)で得られた。K∗+ の幅が広く、サンプルサイズが限られているため、完全な部分波解析は不可能であった。代わりに、相対位相 θ0 によって定義される異なる干渉シナリオの下で分岐比が計算された:
- 干渉を無視した場合:(2.40±0.58±0.11)×10−3。
- θ0=109∘ の場合:(5.21±0.71±0.25)×10−3。
- θ0=221∘ の場合:(1.29±0.44±0.06)×10−3。
意義と主張
著者らは、これらの結果が Λc+→ΛKS0K+ および Λc+→ΛKS0π+ 崩壊に関する現在最も精密な測定であると主張している。単一カビボ抑制モード Λc+→ΛKS0π+ の初の観測は、チャームバリオン崩壊の理解における空白を埋めるものである。
本論文は、Λc+→ΛKS0π+ の測定された分岐比とSU(3) フレーバー対称性の予測との間の重大な不一致を強調している。著者らは、同様の不一致が Λc+→ΛK+ 崩壊にも存在することを指摘しており、これは現在の理論モデルが、Λ バリオンとストレンジ粒子を伴う Λc+ 崩壊をより良く理解するために、より集中的な調査を必要としていることを示唆している。ΛK∗+ 中間状態の研究は、この寄与に対する最初の実験的証拠を提供するものであるが、正確な分岐比は未知の干渉位相に依存したままである。著者らは、チャームバリオンの崩壊メカニズムに関するより精密な結果を得るためには、将来的な Λc+Λˉc− 閾値付近のデータセットが必要であると結論付けている。
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