Measurement of the branching fractions of the decays Λc+→ΛKS0K+, Λc+→ΛKS0π+ and Λc+→ΛK∗+
利用 BESIII 探测器收集的 4.5 fb−1 e+e− 碰撞数据,本研究报告了首次观测到单卡比布抑制衰变 Λc+→ΛKS0π+,提供了对 Λc+→ΛKS0K+ 和 Λc+→ΛKS0π+ 两者分支比最精确的测量结果,并发现了后者衰变中存在 K∗+ 贡献的证据。
原作者: 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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在亚原子世界中,物质是由被称为夸克的极小一组基本粒子构成的。这些微小的组成部分以三个一组的形式结合在一起,形成被称为重子(baryons)的粒子。质子是最常见的重子之一,它位于每个原子核心的位置。然而,自然界也会产生像粲重子(charmed baryon)这样更重、且不稳定的质子“表亲”,它包含一个沉重的粲夸克。由于这些重粒子是不稳定的,它们不会持续太久;它们会迅速分解成更轻、更稳定的粒子。这种分解的过程被称为衰变,它受弱相互作用力(自然界四种基本力之一)的支配。通过观察这些重粒子如何衰变,并测量特定衰变路径发生的频率,物理学家可以测试他们对支配宇宙规则的理解。几十年来,科学家们在绘制由两个夸克组成的重介子(mesons)的这些规则方面取得了巨大成功。然而,由三个夸克组成的重子行为仍然难以预测和理解,这在人类对这些复杂系统中强相互作用力和弱相互作用力如何相互作用的认知中留下了显著的空白。
来自北京 BESIII 探测器的研究团队现在朝着填补这一空白迈出了重要一步。他们分析了对应于 4.5 fb⁻¹ 积分亮度的大规模碰撞数据,以研究粲重子(具体为 Λc+)是如何解体的。该团队专注于该粒子衰变的三个特定方式,所有这些方式都涉及重子分解为一个 Λ 粒子(一种较轻的重子)以及其他含有奇夸克的粒子。其中两个衰变路径此前已被观测到,但有一个从未被直接观测到。研究人员成功测量了这三种衰变的频率,提供了有史以来关于这些事件最精确的数据。最值得注意的是,他们证实了一个仅由理论预测的衰变模式的存在,并发现证据表明一个特定的中间粒子 K∗+ 在其中一个过程中发挥了作用,尽管其参与的具体性质取决于这些粒子的量子波如何相互干涉。
实验是在北京电子正电子对撞机进行的,在那里,电子及其反物质对应物——正电子——在受控的能量下发生碰撞。当这些粒子碰撞时,它们可以瞬间产生重粲重子及其反粒子。BESIII 探测器就像一个巨大的高速摄像机,记录下从碰撞中飞出的每个粒子的轨迹和能量。研究人员在数据中筛选,寻找 Λc+ 分解为 Λ 粒子、中性 K 介子(其本身会迅速转变为两个 π 介子)以及带电 K 介子或带电 π 介子的稀有实例。由于这些衰变链涉及多个步骤和许多不同的粒子,团队必须极其小心地将真实的信号与来自其他随机粒子碰撞的背景噪声区分开来。他们使用了复杂的计算机模拟,以了解探测器对这些特定事件的响应方式,并计算他们捕捉到这些事件的效率。
这项研究对所有三种衰变模式都得出了明确的结果。团队测得 Λc+ 分解为 Λ 粒子、中性 K 介子和带电 K 介子的概率约为每千次衰变中 3.04 次。这一结果与之前的测量值相符,但精度更高,显著缩小了不确定性的范围。更重要的是,他们首次观测到了向 Λ 粒子、中性 K 介子和带电 π 介子的衰变。这是一种“单卡比克压抑”(singly Cabibbo-suppressed)衰变,该术词描述的是一种在理论上是被允许但发生频率低于最常见衰变路径的过程。研究人员发现,这种情况大约每千次衰变中发生 1.73 次。这个数值明显低于一些基于对称性原理的理论模型所预测的数值,这表明我们目前对这些重子衰变的理解可能需要进一步完善。
除了测量整体速率外,团队还研究了涉及带电 π 介子的衰变的内部结构。他们发现,有强有力的证据(统计显著性为 4.7 个标准差)表明,该衰变通常通过一个名为 K∗+ 的短寿命中间粒子阶段进行,随后再发生分解。然而,由于该中间粒子具有宽谱特性且数据样本有限,研究人员无法确定该特定路径的单一确定速率。相反,他们根据不同衰变路径的量子波可能如何重叠和干涉,计算了三种不同情景下的概率。取决于这种干涉的具体相位,K∗+ 贡献的概率在每千次衰变中约 1.29 到 5.21 之间波动。直接衰变为 Λ 粒子、中性 K 介子和 π 介子的测量速率低于理论预期,结合 K∗+ 复杂的行为,表明这些重粒子内部的相互作用力比之前认为的更加错综复杂。正如研究人员所指出的,未来拥有更大碰撞规模的数据集对于锁定这些机制并充分理解粲重子的衰变模式至关重要。
技术摘要:Λc+ 分支比的测量
问题与动机
尽管在过去二十年中,重介子的弱衰变在实验和理论方面都取得了显著进展,但由于三夸克系统的复杂性限制了标准因子化方法的适用性,重钡子的研究进展相对缓慢。具体而言,Λc+→ΛX 和 Λc+→KS0X 的包含性分支比(BF)分别已知约为 (38.2−2.2+2.8±0.9)% 和 (9.9±0.6±0.4)%。然而,涉及这些末态的已知排他性模式之和仅占这些总量的约 30.4% 和 8.1%。这种差异表明,仍有大量的未知衰变模式有待发现。
Λc+ 的衰变由 c→s 转变主导。虽然已经对含有单个奇特强子的衰变进行了研究,但对于 Λc+ 衰变为 Λ 重子并伴随至少一个奇特强子(具体为 ΛKS0K+ 和 ΛKS0π+)的模式,虽然在理论上有所预测,但在实验上研究较少。本文旨在测量 Cabibbo 允许的衰变 Λc+→ΛKS0K+ 以及首次搜索单 Cabibbo 抑制衰变 Λc+→ΛKS0π+,以及中间共振贡献 Λc+→ΛK∗+。
方法论
本分析利用了 BESIII 探测器在质心能量范围为 4599.53 MeV 至 4698.82 MeV 下收集的电子-正电子碰撞数据。该数据集对应的积分亮度为 4.5 fb−1。
- 事件选择: 信号候选者由五个带电轨道重建而成。Λ 和 KS0 候选者分别通过 pπ− 和 π+π− 组合形成,并应用了特定的顶点和不变质量约束。粒子识别(PID)是利用飞行时间(TOF)和特定电离能损失($dE/dx$)信息进行的。
- 运动学变量: 候选者通过能量差(ΔE)和束流约束质量(MBC)进行隔离。
- 信号提取:
- 对于 Λc+→ΛKS0K+,在 MBC 和 M(pπ−) 分布上进行二维(2-D)扩展非分箱最大似然拟合。来自错误 KS0 组合的本底通过侧带区域进行估计。
- 对于 Λc+→ΛKS0π+,在 MBC、M(π+π−) 和 M(KS0π+) 上进行三维(3-D)扩展非分箱最大似然拟合。该分析考虑了非共振(NR)Λc+→ΛKS0π+ 振幅与共振 Λc+→ΛK∗+ 振幅之间的干涉。干涉通过相对相位角 θ0 进行建模。
- 效率与系统误差: 检测效率通过包含相空间(PHSP)模型和考虑干涉模型的蒙特卡洛(MC)模拟来确定。系统误差针对 PID、径迹重建、中间态重建、拟合形状、本底参数化以及 MC 统计进行评估。
主要结果
论文报告了以下测量结果:
- Λc+→ΛKS0K+: 分支比测量值为 (3.04±0.30±0.16)×10−3。该结果与粒子数据组(PDG)平均值一致,但提高了精度。该信号观测到的统计显著性为 10.6σ。
- Λc+→ΛKS0π+: 这种单 Cabibbo 抑制衰变首次被观测到,统计显著性为 8.9σ。测得的分支比为 (1.73±0.27±0.10)×10−3。该值比基于 SU(3) 味道对称性的理论预测值 (4.4±0.7)×10−3 低了约 4σ。
- Λc+→ΛK∗+: 在 Λc+→ΛKS0π+ 衰变中发现了该中间共振贡献的证据,统计显著性为 4.7σ(在考虑系统误差后降至 4.66σ)。由于 K∗+ 的宽度较宽且样本量有限,无法进行完整的部分波分析。相反,分支比是在不同的干涉情景(由相对相位 θ0 定义)下计算的:
- 忽略干涉:(2.40±0.58±0.11)×10−3。
- 对于 θ0=109∘:(5.21±0.71±0.25)×10−3。
- 对于 θ0=221∘:(1.29±0.44±0.06)×10−3。
意义与主张
作者声称这些结果构成了迄今为止对 Λc+→ΛKS0K+ 和 Λc+→ΛKS0π+ 衰变最精确的测量。对单 Cabibbo 抑制模式 Λc+→ΛKS0π+ 的首次观测填补了粲重子衰变理解中的空白。
论文强调了测得的 Λc+→ΛKS0π+ 分支比与 SU(3) 味道对称性预测之间的显著差异。作者指出,在 Λc+→ΛK+ 衰变中也存在类似的差异,这表明目前的理论模型需要更深入的研究,以更好地理解涉及 Λ 重子和奇特强子的 Λc+ 衰变。对 ΛK∗+ 中间态的研究提供了该贡献的首个实验证据,尽管精确的分支比仍取决于未知的干涉相位。作者得出结论,未来需要靠近 Λc+Λˉc− 阈值的更多数据集,以获得关于粲重子衰变机制更精确的结果。
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