Search for new physics with charm data at BESIII

技术摘要：利用 BESIII 粲数据寻找新物理

问题与动机
标准模型（SM）成功描述了基本的粒子相互作用，但在解决一些悬而未决的难题方面仍显不足，包括宇宙的物质-反物质不对称性以及中微子质量的起源。这些问题挑战了标准模型的自然性与稳定性，从而激发了对标准模型之外物理（BSM）的探索。具体而言，物质对反物质的主导地位暗示了重子数破坏（BNV）的必要性，而中微子振荡则意味着中微子具有非零质量，这可能通过涉及重马约拉纳中微子的跷跷板机制来解释。这些理论框架预言了轻子数破坏（LNV）和带电轻子味破坏（CLFV）。此外，在标准模型中受到高度抑制的粲夸克偶素弱衰变，为探测 BSM 物理提供了一个互补的窗口，因为在各种新物理情景下，这些衰变可能会被显著增强。

方法论与数据
BESIII 实验运行于 BEPCII 存储环，利用了在 $J/\psi$ 和 $\psi(3686)$ 共振峰处收集的世界最大规模数据样本。分析基于：

• $(10087 \pm 44) \times 10^6$ 个 $J/\psi$ 事件。
• $(2712.4 \pm 14.3) \times 10^6$ 个 $\psi(3686)$ 事件。
• 用于矢量和赝轻夸克偶素研究的特定子集（例如 $2367.0 \times 10^6$ 个 $\psi(3686)$ 事件）。

实验方法采用了多种先进技术：

• 双标记与盲分析（Double-tag and Blind Analysis）： 用于 $\Xi^- \to \Sigma^+ e^- e^-$ 的搜索，以重建信号候选事件并最大限度地减少偏差。
• 振荡分析： 对于 $\Lambda-\bar{\Lambda}$ 振荡，根据末态重子身份将事件分类为“错号”（WS）或“正号”（RS）。
• 统计方法： 使用贝叶斯方法、频率派方法和剖面似然法导出分支比（BFs）的上界（ULs），通常在 90% 置信水平（C.L.）下进行。
• 运动学重建： 信号提取依赖于不变质量分布的拟合（例如 $M_{p\pi^0}$, $M_{e\mu}$, $M_{\text{recoil}}^\gamma$），并分析运动学变量如 $|\sum \vec{p}_i|/\sqrt{s}$ 对比 $|\sum E_i|/\sqrt{s}$。

主要贡献与结果
本文全面总结了 BESIII 在四类 BSM 搜索中的最新结果：

1. 轻子数破坏 (LNV)：

   • 超子衰变： 对 $\Delta L = 2$ 过程 $\Xi^- \to \Sigma^+ e^- e^-$ 进行了首次搜索。未观察到显著信号。设定上界 $\mathcal{B}(\Xi^- \to \Sigma^+ e^- e^-) < 2.0 \times 10^{-5}$。
   • 介子衰变： 进行了对介子系统（$\eta, \omega, \phi, J/\psi$）中无中微子双贝塔衰变的首次搜索。分别为 $\eta \to \pi^+ \pi^+ e^- e^-$ ($4.6 \times 10^{-6}$)、$\omega \to \pi^+ \pi^+ e^- e^-$ ($2.8 \times 10^{-6}$)、$\phi \to \pi^+ \pi^+ e^- e^-$ ($3.7 \times 10^{-6}$) 和 $J/\psi \to K^+ K^+ e^- e^-$ ($2.1 \times 10^{-9}$) 建立了上界。

2. 重子数破坏 (BNV) 与振荡：

   • $\Lambda-\bar{\Lambda}$ 振荡： 首次通过 $J/\psi \to \Lambda \bar{\Lambda}$ 进行了 $\Lambda-\bar{\Lambda}$ 振荡搜索。未观察到 WS 事件。时间积分振荡率被限制在 $P(\Lambda) < 1.4 \times 10^{-6}$，转化为振荡参数 $\delta m_{\Lambda \bar{\Lambda}} < 2.1 \times 10^{-18}$ GeV 以及振荡时间 $\tau_{\text{osc}} > 3.1 \times 10^{-7}$ s。该结果提供了比以往测量更严格的约束。
   • LNV 与 BNV 结合： 对 $J/\psi \to p e^- + c.c.$ 的搜索未发现显著信号，设定上界为 $\mathcal{B} < 3.1 \times 10^{-8}$。

3. 带电轻子味破坏 (CLFV)：

   • 矢量态： 对于 $\psi(3686) \to e\mu$，在 $6.2 \pm 1.4$ 个预期背景事件中观察到 8 个候选事件。未发现显著过剩，结果为 $\mathcal{B}(\psi(3686) \to e\mu) < 1.4 \times 10^{-8}$。
   • 赝轻夸克态： 进行了 $\eta' \to e\mu$ 和 $\eta \to e\mu$ 的搜索。设定的极限为 $\mathcal{B}(\eta' \to e\mu) < 6.3 \times 10^{-7}$（比 CLEO 严格三个数量级）以及 $\mathcal{B}(\eta \to e\mu) < 6.8 \times 10^{-7}$（比 1996 年 $pd$ 散射极限提高了一个数量级）。

4. 粲夸克偶素弱衰变：

   • 进行了涉及味改变中性流（$c \to u$）和带电流（$c \to d$）的罕见弱衰变搜索。在诸如 $J/\psi \to D^0 K^{*0}$, $J/\psi \to \gamma D^0$, $J/\psi \to D^0 \mu^+ \mu^-$ 以及各种 $D_s$ 模式中均未观察到显著信号。
   • 上界设定在 $10^{-7}$ 到 $10^{-8}$ 量级，显著约束了诸如顶夸克模型（top-color）、R-宇称破坏的超对称（SUSY）以及双希格斯双重态模型。

意义
论文声称，这些测量结果为广泛的新物理情景提供了重要的实验约束。尽管在任何通道中均未观察到显著信号，但建立的严格上界为约束各种 BSM 模型的参数空间提供了宝贵指导。这些结果代表了许多特定过程的首次搜索或更新研究，充分利用了 BESIII 提供的独特高统计量粲数据环境。作者指出，随着 BEPCII 持续积累数据，灵敏度有望进一步提高，届时可能会揭示新物理的证据，或者将现有极限推向更严格的水平。