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北京谱仪III合作组发表D介子衰变最精确强相差测量结果
2020-06-16|文章来源:实验物理中心 |【
 

  近日,北京谱仪IIIBESIII)合作组完成了当前国际上最精确的中性D介子衰变到强子末态KS/Lπ+π- 的强相差实验测量,相关研究成果已于615日在线发表在《Physical Review Letters》和《Physical Review D》上。

  强相位产生于衰变末态强子之间的相互作用,它不能通过理论计算得到可靠的结果,只能通过实验测量得到。BESIII文章报告的强相差反映了中性D介子和它的反粒子同时衰变到相同强子过程所产生的强相位的差值。在所有可能的强子末态中,KS/Lπ+π- 的强相差是当前国际上最关心的参数,因为它能够为测量粒子物理标准模型理论中的其他重要基本参数提供关键和亟需的实验输入。这些重要基本参数包含(但不限于)描述第一代夸克家族和第三代夸克家族混合的CKM相位γ和描述中性D介子和它的反粒子振荡的混合参数等。此外,通过精确测量CKM相角γ能够为检验粒子物理的标准模型理论提供一个直接标度,进而为寻找超出标准模型理论的新物理提供一个重要的实验探针。   

  20092010年,克利奥实验(CLEO)通过分析0.82/fb正负电子湮灭的实验数据首次测量了该强相差参数。然而受限于CLEO实验的数据样本,由此强相差参数引入的γ测量的系统误差大约为4度,是主导的系统误差来源。预计到2030年,γ的统计误差预期可以降低至大约1.5度甚至更小的水平。在此情况下,γ的测量精度将由强相差参数引入的系统误差主导。因此,将γ的测量精度降低至1度甚至更低水平是当前和今后高能味物理实验的重要目标,一直以来备受国际味物理同行专家的广泛关注。  

  运行在北京正负电子对撞机上的BESIII探测器是国际上唯一正在运行的、能够精确测量强相差参数的大科学实验装置。在质心系能量3.773 GeV处,来自ψ(3770)衰变产生的中性D介子和它的反粒子由于其波函数反对称从而具备了量子关联特性,为BESIII实验开展强相差研究工作提供了实验测量基础。为了最大限度地挖掘BESIII实验数据的潜力,分析团队通过多种方法改进数据分析技术,引入更多的单标记衰变过程以增加信号的统计量、拓展部分重建分析技术以提高信号过程的探测效率、首次在测量中修正区间迁移效应的影响以降低测量值与真实值之间的偏离等。 

  对比之前的CLEO实验,BESIII实验在数据分析中的这些改进工作对提高强相差参数的实验测量精度起到了重要作用,并获得了当前国际上实验测量精度最高的中性D介子及其反粒子衰变到KS/Lπ+π- 的强相差参数。利用BESIII的强相差参数测量值作为输入,预期可以将γ的主导系统误差首次降低至约1度甚至更低的水平。在未来10年内,BESIII合作组精确测量的强相差参数可以确保大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)和贝尔IIBelle II)实验上的γ测量精度不受强相差输入精度的限制。此外,BESIII的强相差测量工作也对味物理实验中正在开展的一系列γ测量工作及相关的其它实验测量有着深远的影响。   

  BESIII合作组论文: 

  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.241802 

  https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.101.112002 

BESIII测量结果(红色带误差棒的点)、CLEO实验结果(绿色带误差棒的方框)和BaBar&Belle 2018理论预期值(黑色空心圆)的对比。其中左侧,居中和右侧图分别是 "Equal ΔδD""Optimal" "Modified Optimal" 分区间情况下得到的结果;圆圈代表了测量参数的物理边界c2i+s2i=1

 


 
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