⚛️ high-energy experiments

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

利用来自 Belle II 实验的 428 fb $^{-1}$ 数据，本研究首次测量了粲重子单卡比抑制三体衰变（ $\Xi_c^+\to\Sigma^+h^+h^-$ 和 $\Lambda_c^+\to ph^+h^-$ ）中的 $CP $不对称性，结果与$ CP $对称性和$ U$-spin 预测一致。

原作者： Belle II Collaboration, M. Abumusabh, I. Adachi, H. Ahmed, Y. Ahn, H. Aihara, N. Akopov, S. Alghamdi, M. Alhakami, N. Althubiti, K. Amos, N. Anh Ky, D. M. Asner, H. Atmacan, R. Ayad, V. Babu, N. K. BaBelle II Collaboration, M. Abumusabh, I. Adachi, H. Ahmed, Y. Ahn, H. Aihara, N. Akopov, S. Alghamdi, M. Alhakami, N. Althubiti, K. Amos, N. Anh Ky, D. M. Asner, H. Atmacan, R. Ayad, V. Babu, N. K. Baghel, S. Bahinipati, P. Bambade, Sw. Banerjee, M. Bartl, J. Baudot, A. Beaubien, J. Becker, J. V. Bennett, V. Bertacchi, M. Bertemes, E. Bertholet, S. Bettarini, V. Bhardwaj, D. Biswas, A. Bobrov, D. Bodrov, G. Bonvicini, J. Borah, A. Boschetti, M. Bračko, P. Branchini, R. A. Briere, T. E. Browder, A. Budano, S. Bussino, Q. Campagna, M. Campajola, G. Casarosa, C. Cecchi, P. Chang, P. Cheema, L. Chen, B. G. Cheon, C. Cheshta, H. Chetri, K. Chilikin, J. Chin, K. Chirapatpimol, H. -E. Cho, K. Cho, S. -J. Cho, S. -K. Choi, S. Choudhury, S. Chutia, J. A. Colorado-Caicedo, I. Consigny, L. Corona, J. X. Cui, S. Das, S. A. De La Motte, G. De Nardo, G. De Pietro, R. de Sangro, M. Destefanis, A. Di Canto, Z. Doležal, I. Domínguez Jiménez, T. V. Dong, X. Dong, M. Dorigo, G. Dujany, P. Ecker, D. Epifanov, J. Eppelt, R. Farkas, P. Feichtinger, T. Ferber, T. Fillinger, G. Finocchiaro, F. Forti, B. G. Fulsom, A. Gabrielli, E. Ganiev, R. Garg, G. Gaudino, V. Gaur, V. Gautam, A. Gaz, A. Gellrich, D. Ghosh, H. Ghumaryan, R. Giordano, A. Giri, P. Gironella Gironell, A. Glazov, B. Gobbo, R. Godang, O. Gogota, P. Goldenzweig, W. Gradl, E. Graziani, D. Greenwald, K. Gudkova, I. Haide, Y. Han, S. Hazra, M. T. Hedges, A. Heidelbach, G. Heine, I. Heredia de la Cruz, M. Hernández Villanueva, D. Hettiarachchi, T. Higuchi, M. Hoek, M. Hohmann, R. Hoppe, P. Horak, X. T. Hou, C. -L. Hsu, T. Humair, T. Iijima, N. Ipsita, A. Ishikawa, R. Itoh, M. Iwasaki, W. W. Jacobs, D. E. Jaffe, E. -J. Jang, S. Jia, Y. Jin, A. Johnson, A. B. Kaliyar, J. Kandra, K. H. Kang, G. Karyan, F. Keil, C. Kiesling, D. Y. Kim, J. -Y. Kim, K. -H. Kim, K. Kinoshita, P. Kodyš, T. Koga, S. Kohani, A. Korobov, S. Korpar, E. Kovalenko, R. Kowalewski, P. Križan, P. Krokovny, T. Kuhr, K. Kumara, T. Kunigo, A. Kuzmin, Y. -J. Kwon, S. Lacaprara, T. Lam, T. S. Lau, M. Laurenza, R. Leboucher, F. R. Le Diberder, H. Lee, M. J. Lee, C. Lemettais, P. Leo, P. M. Lewis, C. Li, L. K. Li, Q. M. Li, W. Z. Li, Y. Li, Y. B. Li, Y. P. Liao, J. Libby, J. Lin, S. Lin, M. H. Liu, Q. Y. Liu, Z. Liu, D. Liventsev, S. Longo, T. Lueck, C. Lyu, J. L. Ma, Y. Ma, M. Maggiora, R. Manfredi, E. Manoni, M. Mantovano, D. Marcantonio, M. Marfoli, C. Marinas, C. Martellini, A. Martens, T. Martinov, L. Massaccesi, M. Masuda, D. Matvienko, S. K. Maurya, M. Maushart, J. A. McKenna, Z. Mediankin Gruberová, F. Meier, D. Meleshko, M. Merola, C. Miller, M. Mirra, K. Miyabayashi, R. Mizuk, G. B. Mohanty, S. Moneta, A. L. Moreira de Carvalho, H. -G. Moser, M. Mrvar, H. Murakami, I. Nakamura, M. Nakao, Y. Nakazawa, M. Naruki, Z. Natkaniec, A. Natochii, M. Nayak, M. Neu, S. Nishida, R. Nomaru, S. Ogawa, H. Ono, G. Pakhlova, A. Panta, S. Pardi, J. Park, S. -H. Park, A. Passeri, S. Patra, S. Paul, T. K. Pedlar, R. Pestotnik, L. E. Piilonen, P. L. M. Podesta-Lerma, T. Podobnik, C. Praz, S. Prell, E. Prencipe, M. T. Prim, H. Purwar, P. Rados, S. Raiz, K. Ravindran, J. U. Rehman, M. Reif, S. Reiter, L. Reuter, D. Ricalde Herrmann, I. Ripp-Baudot, G. Rizzo, J. M. Roney, A. Rostomyan, N. Rout, L. Salutari, D. A. Sanders, L. Santelj, C. Santos, B. Scavino, C. Schmitt, M. Schnepf, K. Schoenning, C. Schwanda, Y. Seino, K. Senyo, M. E. Sevior, C. Sfienti, W. Shan, G. Sharma, X. D. Shi, T. Shillington, J. -G. Shiu, D. Shtol, B. Shwartz, A. Sibidanov, F. Simon, J. Skorupa, R. J. Sobie, M. Sobotzik, A. Soffer, A. Sokolov, S. Spataro, B. Spruck, M. Starič, P. Stavroulakis, R. Stroili, M. Sumihama, M. Takahashi, U. Tamponi, S. S. Tang, K. Tanida, F. Tenchini, A. Thaller, T. Tien Manh, O. Tittel, R. Tiwary, E. Torassa, K. Trabelsi, F. F. Trantou, I. Ueda, K. Unger, Y. Unno, K. Uno, S. Uno, P. Urquijo, Y. Ushiroda, R. van Tonder, K. E. Varvell, M. Veronesi, V. S. Vismaya, L. Vitale, V. Vobbilisetti, R. Volpe, M. Wakai, S. Wallner, M. -Z. Wang, A. Warburton, S. Watanuki, C. Wessel, E. Won, X. P. Xu, B. D. Yabsley, W. Yan, K. Yi, J. H. Yin, K. Yoshihara, J. Yuan, Y. Yusa, L. Zani, F. Zeng, B. Zhang, V. Zhilich, J. S. Zhou, Q. D. Zhou, L. Zhu, R. Žlebčík

发布于 2026-07-14

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CC BY 4.0

原作者： Belle II Collaboration, M. Abumusabh, I. Adachi, H. Ahmed, Y. Ahn, H. Aihara, N. Akopov, S. Alghamdi, M. Alhakami, N. Althubiti, K. Amos, N. Anh Ky, D. M. Asner, H. Atmacan, R. Ayad, V. Babu, N. K. Baghel, S. Bahinipati, P. Bambade, Sw. Banerjee, M. Bartl, J. Baudot, A. Beaubien, J. Becker, J. V. Bennett, V. Bertacchi, M. Bertemes, E. Bertholet, S. Bettarini, V. Bhardwaj, D. Biswas, A. Bobrov, D. Bodrov, G. Bonvicini, J. Borah, A. Boschetti, M. Bračko, P. Branchini, R. A. Briere, T. E. Browder, A. Budano, S. Bussino, Q. Campagna, M. Campajola, G. Casarosa, C. Cecchi, P. Chang, P. Cheema, L. Chen, B. G. Cheon, C. Cheshta, H. Chetri, K. Chilikin, J. Chin, K. Chirapatpimol, H. -E. Cho, K. Cho, S. -J. Cho, S. -K. Choi, S. Choudhury, S. Chutia, J. A. Colorado-Caicedo, I. Consigny, L. Corona, J. X. Cui, S. Das, S. A. De La Motte, G. De Nardo, G. De Pietro, R. de Sangro, M. Destefanis, A. Di Canto, Z. Doležal, I. Domínguez Jiménez, T. V. Dong, X. Dong, M. Dorigo, G. Dujany, P. Ecker, D. Epifanov, J. Eppelt, R. Farkas, P. Feichtinger, T. Ferber, T. Fillinger, G. Finocchiaro, F. Forti, B. G. Fulsom, A. Gabrielli, E. Ganiev, R. Garg, G. Gaudino, V. Gaur, V. Gautam, A. Gaz, A. Gellrich, D. Ghosh, H. Ghumaryan, R. Giordano, A. Giri, P. Gironella Gironell, A. Glazov, B. Gobbo, R. Godang, O. Gogota, P. Goldenzweig, W. Gradl, E. Graziani, D. Greenwald, K. Gudkova, I. Haide, Y. Han, S. Hazra, M. T. Hedges, A. Heidelbach, G. Heine, I. Heredia de la Cruz, M. Hernández Villanueva, D. Hettiarachchi, T. Higuchi, M. Hoek, M. Hohmann, R. Hoppe, P. Horak, X. T. Hou, C. -L. Hsu, T. Humair, T. Iijima, N. Ipsita, A. Ishikawa, R. Itoh, M. Iwasaki, W. W. Jacobs, D. E. Jaffe, E. -J. Jang, S. Jia, Y. Jin, A. Johnson, A. B. Kaliyar, J. Kandra, K. H. Kang, G. Karyan, F. Keil, C. Kiesling, D. Y. Kim, J. -Y. Kim, K. -H. Kim, K. Kinoshita, P. Kodyš, T. Koga, S. Kohani, A. Korobov, S. Korpar, E. Kovalenko, R. Kowalewski, P. Križan, P. Krokovny, T. Kuhr, K. Kumara, T. Kunigo, A. Kuzmin, Y. -J. Kwon, S. Lacaprara, T. Lam, T. S. Lau, M. Laurenza, R. Leboucher, F. R. Le Diberder, H. Lee, M. J. Lee, C. Lemettais, P. Leo, P. M. Lewis, C. Li, L. K. Li, Q. M. Li, W. Z. Li, Y. Li, Y. B. Li, Y. P. Liao, J. Libby, J. Lin, S. Lin, M. H. Liu, Q. Y. Liu, Z. Liu, D. Liventsev, S. Longo, T. Lueck, C. Lyu, J. L. Ma, Y. Ma, M. Maggiora, R. Manfredi, E. Manoni, M. Mantovano, D. Marcantonio, M. Marfoli, C. Marinas, C. Martellini, A. Martens, T. Martinov, L. Massaccesi, M. Masuda, D. Matvienko, S. K. Maurya, M. Maushart, J. A. McKenna, Z. Mediankin Gruberová, F. Meier, D. Meleshko, M. Merola, C. Miller, M. Mirra, K. Miyabayashi, R. Mizuk, G. B. Mohanty, S. Moneta, A. L. Moreira de Carvalho, H. -G. Moser, M. Mrvar, H. Murakami, I. Nakamura, M. Nakao, Y. Nakazawa, M. Naruki, Z. Natkaniec, A. Natochii, M. Nayak, M. Neu, S. Nishida, R. Nomaru, S. Ogawa, H. Ono, G. Pakhlova, A. Panta, S. Pardi, J. Park, S. -H. Park, A. Passeri, S. Patra, S. Paul, T. K. Pedlar, R. Pestotnik, L. E. Piilonen, P. L. M. Podesta-Lerma, T. Podobnik, C. Praz, S. Prell, E. Prencipe, M. T. Prim, H. Purwar, P. Rados, S. Raiz, K. Ravindran, J. U. Rehman, M. Reif, S. Reiter, L. Reuter, D. Ricalde Herrmann, I. Ripp-Baudot, G. Rizzo, J. M. Roney, A. Rostomyan, N. Rout, L. Salutari, D. A. Sanders, L. Santelj, C. Santos, B. Scavino, C. Schmitt, M. Schnepf, K. Schoenning, C. Schwanda, Y. Seino, K. Senyo, M. E. Sevior, C. Sfienti, W. Shan, G. Sharma, X. D. Shi, T. Shillington, J. -G. Shiu, D. Shtol, B. Shwartz, A. Sibidanov, F. Simon, J. Skorupa, R. J. Sobie, M. Sobotzik, A. Soffer, A. Sokolov, S. Spataro, B. Spruck, M. Starič, P. Stavroulakis, R. Stroili, M. Sumihama, M. Takahashi, U. Tamponi, S. S. Tang, K. Tanida, F. Tenchini, A. Thaller, T. Tien Manh, O. Tittel, R. Tiwary, E. Torassa, K. Trabelsi, F. F. Trantou, I. Ueda, K. Unger, Y. Unno, K. Uno, S. Uno, P. Urquijo, Y. Ushiroda, R. van Tonder, K. E. Varvell, M. Veronesi, V. S. Vismaya, L. Vitale, V. Vobbilisetti, R. Volpe, M. Wakai, S. Wallner, M. -Z. Wang, A. Warburton, S. Watanuki, C. Wessel, E. Won, X. P. Xu, B. D. Yabsley, W. Yan, K. Yi, J. H. Yin, K. Yoshihara, J. Yuan, Y. Yusa, L. Zani, F. Zeng, B. Zhang, V. Zhilich, J. S. Zhou, Q. D. Zhou, L. Zhu, R. Žlebčík

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，宇宙是一个巨大的、高速旋转的舞池，而被称为“粲重子”（charmed baryons）的微小粒子就是其中的明星。这些粒子有一个秘密的双胞胎，即“反粒子”，而舞池的规则（物理学）规定它们应该进行完美的镜像对称运动。如果一个粒子向左旋转，它的双胞胎就应该以完全相同的能量向右旋转。这种规则被称为 CP 对称性。

长期以来，物理学家一直在寻找音乐中的一个“故障”——即粒子与其双胞胎打破镜像并跳出不同舞步的时刻。这种“故障”被称为 CP 破坏。我们已经在其他一些粒子（如奇异介子和底介子）中观察到了这种现象，最近在底重子中也发现了它。但对于粲重子而言，音乐却可疑地完美无瑕。

在这项新研究中，Belle II 合作组（一个使用位于日本 SuperKEKB 对撞机的超强显微镜——Belle II 探测器的庞大科学家团队）决定检查两种特定粲重子的舞步： $\Xi^+_c$ 和 $\Lambda^+_c$ 。他们观察了这些粒子衰变为三种其他粒子的过程，具体观察了它们如何转化为 $\Sigma^+ \pi^+ \pi^-$ 或 $\Sigma^+ K^+ K^-$ ，以及 $\Lambda^+_c$ 如何转化为质子加两个π介子或两个K介子。

大舞会结果
该团队分析了收集于 2019 年至 2022 年间的 428 fb $^{-1}$ 的海量碰撞数据。他们测量了四种不同衰变通道的“不对称性”（即粒子与其双胞胎舞步之间的差异）。以下是他们的发现：

对于 $\Xi^+_c \to \Sigma^+ K^+ K^-$ ，不对称性为 3.7 ± 6.6 ± 0.6%。
对于 $\Xi^+_c \to \Sigma^+ \pi^+ \pi^-$ ，不对对称性为 9.5 ± 6.8 ± 0.5%。
对于 $\Lambda^+_c \to p K^+ K^-$ ，不对称性为 3.9 ± 1.7 ± 0.7%。
对于 $\Lambda^+_c \to p \pi^+ \pi^-$ ，不对称性为 0.3 ± 1.0 ± 0.2%。

等号后的第一个数字是测量值，第二个是“统计”不确定度（即骰子点数可能产生的波动），第三个是“系统”不确定度（即测量尺可能存在的偏差）。

判决：镜像依然成立
最重要的一点是，所有这些数字都与零是一致的。用通俗的话说，粒子及其双胞胎进行了完美的镜像对称舞蹈。作者明确指出，这些结果符合 CP 对称性。他们并没有发现他们所期望的那个“故障”。

该论文还测试了一个名为 U-spin 对称性 的特定理论，该理论预测，如果将某些成对衰变的不对称性相加，它们应该相互抵消并精确等于零。

将 $\Xi^+_c \to \Sigma^+ \pi^+ \pi^-$ 的结果与 $\Lambda^+_c \to p K^+ K^-$ 的结果相加得到 13.4 ± 7.0 ± 0.9%。
将 $\Xi^+_c \to \Sigma^+ K^+ K^-$ 的结果与 $\Lambda^+_c \to p \pi^+ \pi^-$ 的结果相加得到 4.0 ± 6.6 ± 0.7%。

这两个总和也与零是一致的。这意味着 U-spin 对称性规则在这些测量中得到了验证。

这意味着什么（以及并不意味着什么）
这是第一次有人单独测量这些特定的三体粲重子衰变中的 CP 不对称性。在此之前，我们并没有这些数据。

论文并未声称发现了新物理或标准模型的破坏。事实上，它反对认为这些特定衰变表现出大规模对称性破缺的观点。作者指出，尽管一些理论暗示这里可能隐藏着某种破坏，但他们收集的数据并未显示出此类证据。他们的测量不确定度仍然相当大（主要是统计上的，意味着他们需要更多数据来提高精度），因此他们无法完全排除极其微小的破坏现象，但他们目前确实还没有发现任何迹象。

把它想象成在检查一个非常精密的秤。科学家把粒子放在一边，把双胞胎放在另一边。他们曾预期天平会剧烈向一侧倾斜（即违反对称性）。然而，在测量工具的误差范围内，天平保持了完美的平衡。对于这些特定的舞者来说，宇宙的音乐依然保持着完美的对称。

技术摘要：Belle II 实验中对 $\Xi^+_c \to \Sigma^+ h^+ h^-$ 和 $\Lambda^+_c \to p h^+ h^-$ 衰变中 CP 破坏的研究

问题与动机
电荷-宇称（CP）对称性破缺已在奇异介子、粲介子、底介子以及最近的底重子衰变中得到证实。虽然标准模型（SM）成功解释了奇异和底衰变中的 CP 不对称性，但测得的粲衰变中的 CP 不对称性（特别是 $D^0 \to K^+K^-$ 与 $D^0 \to \pi^+\pi^-$ 之间的差异）缺乏明确的标准模型解释。理论模型表明，这种不对称性可能源于标准模型之外的新物理或非微扰 QCD 效应。此外，LHCb 实验对这些不对称性的独立测定表明，U-spin 对称性（即在下夸克和奇异夸克交换下保持不变的对称性）发生了出乎意料的剧烈破缺。

虽然 U-spin 对称性预测了三种体、单卡比消减（singly-Cabibbo-suppressed）强子粲重子衰变中 CP 不对称性的特定关系，但这些不对项此前从未被单独测量或对其预测之和进行过测量。本文通过报告 $\Xi^+_c \to \Sigma^+ h^+ h^-$ 和 $\Lambda^+_c \to p h^+ h^-$ （其中 $h = K, \pi$ ）衰变的 CP 不对称性的首次测量结果，填补了实验数据的空白。

方法论
本分析利用了由 Belle II 实验在 SuperKEKB 对撞机上收集的 428 fb $^{-1}$ 的 $e^+e^-$ 碰撞数据，该数据对应的积分亮度接近 $\Upsilon(4S)$ 共振峰。研究重点关注四种信号衰变模式：

$\Xi^+_c \to \Sigma^+ K^+ K^-$
$\Xi^+_c \to \Sigma^+ \pi^+ \pi^-$
$\Lambda^+_c \to p K^+ K^-$
$\Lambda^+_c \to p \pi^+ \pi^-$

衰变率 CP 不对称性 $A_{CP}$ 定义为粒子与反粒子衰变率之差，并归一化为两者之和。为了提取该值，协作组测量了产额不对称性（ $A_N$ ），并对产生不对称性（ $A_p$ ）和探测不对称性（ $A_d$ ）进行了修正。

产生不对称性的抑制： 由于 $A_p$ 是粲重子动量极角余弦（ $\cos \theta$ ）的奇函数，分析通过平均前向（ $\cos \theta > 0$ ）和后向（ $\cos \theta < 0$ ）区域测得的产额不对称性来抑制这一效应。
探测不对称性的抵消： 分析采用控制通道来抵消探测不对称性。
- 对于 $\Xi^+_c \to \Sigma^+ h^+ h^-$ ，不对称性是通过减去控制通道 $\Lambda^+_c \to \Sigma^+ h^+ h^-$ 的产额不对称性来确定的。这抵消了末态重子的探测不对称性（ $\Sigma^+$ ）。
- 对于 $\Lambda^+_c \to p h^+ h^-$ ，分析减去了 $\Lambda^+_c \to p \pi^+ K^-$ 的不对称性，并加上了 $D^0 \to \pi^+ K^- \pi^+ \pi^-$ 的不对称性。这一过程抵消了质子、卡昂和派子的探测不对称性。
- 对控制通道候选者应用了运动学加权，以确保其动量和 $\cos \theta$ 分布与信号通道相匹配，从而确保探测效应的抵消是有效的。
产额提取： 通过对信号和控制候选者的不变质量分布进行同步扩展非拟合（extended unbinned maximum likelihood fits），并按电荷和前/后向区域进行分离，来确定产额。信号形状使用双侧 Crystal Ball 函数建模，背景使用直线建模。

主要贡献与结果
本工作展示了对单个强子三体粲重子衰变 CP 不对称性的首次测量。测得的不对称性为：

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

在所有情况下，第一个误差为统计误差，第二个为系统误差。结果与 CP 对称性（零不对称性）一致。

论文还推导了这些不对称性的总和，根据 U-spin 对称性，这些总和应为零：

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

这些总和与 U-spin 对称性预测的零是一致的。

意义与声明
作者指出，这些是世界上首次对单个强子三体粲重子衰变进行的 CP 不对称性测量。结果符合 CP 对称性，并与 U-spin 对称性预测一致。论文强调，不确定性主要源于统计学。因此，作者得出结论，未来利用来自 Belle II 实验更大数据集的测量，对于精确寻找 CP 破坏和测试粲扇区中的 U-spin 求和规则至关重要。本文并不声称发现了新物理，而是建立了进行此类未来测试所需的基准测量。

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