BESIII 實驗測量J/ψ→γφ精度的研究

鄭 波， 肖 浩， 李小華

(南華大學 核科學技術學院， 湖南 衡陽421001)

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BESIII 實驗測量J/ψ→γφ精度的研究

鄭 波， 肖 浩， 李小華*

(南華大學 核科學技術學院， 湖南 衡陽421001)

基于BOSS軟件框架，利用BESIII合作組產生的106 M單舉ψ(3686)事例，研究了在BESIII上實驗測量C宇稱破壞過程J/ψ→γφ可達到的實驗精度.在無信號事例的單舉ψ(3686)樣本中，在90%置信水平下設定了該過程觀測事例數的上限，并計算得到BF(J/ψ→γφ)的上限為6.1×10-7.研究結果表明在BESIII計劃采集的實驗數據樣本下，該C宇稱破壞過程的實驗測量精度可達到10-7量級.

C宇稱破壞;J/ψ衰變; BESIII

電荷共軛操作(C) 將粒子轉換成其反粒子(或反過來).C宇稱守恒意味著物理定律在C變換下具有不變性.標準模型中兩大基本理論—量子色動力學(QCD)和量子電動力學(QED)在C變換下不變.標準模型也預期C變換在電磁相互作用中不變，但這種假設必須獲得實驗的支持，然而到目前為止僅有一些檢驗C不變性的實驗上限.實驗上已經發現弱電統一理論中的弱相互作用部分C宇稱不守恒，這促使人們去尋找在電磁相互作用中的C宇稱不守恒.此外，根據大爆炸理論，正反物質應該完全對稱，然而目前觀測到宇宙中存在的幾乎全部是正物質而幾乎沒有反物質.確定C宇稱不變性有效的量級對于尋找正反物質不對稱的起源有重要的意義.由于絕大部分C宇稱破壞的電磁相互作用過程背景非常復雜，且無法消除，很難尋找到適合檢驗C宇稱不變性的衰變過程[1].目前已有的C宇稱不變性的實驗檢驗主要集中在π0、η和η’等標量介子衰變[2]，僅有少量的實驗檢驗矢量介子衰變的C宇稱不守恒，并且集中在ω和J/ψ→γγ[2-4].BESIII計劃采集超過1B的ψ(3686)實驗數據，由于ψ(3686)→J/ψπ+π-的分支比超過30%[2]，這使利用該過程來精確檢驗J/ψ衰變中C宇稱不守恒成為可能.本工作通過分析106 M 單舉ψ(3686)蒙特卡羅樣本來確定在BESIII上測量C宇稱不守恒過程J/ψ→γφ衰變能夠達到的精度.

1BESIII探測器及蒙特卡羅模擬

北京譜儀-III(BESIII)探測器[5]是工作在北京正負電子對撞機-II(BEPC-II)[5-7]上的大型綜合通用型譜儀，它主要進行τ-粲能區的實驗[8].它包括主漂移室(MDC)、飛行時間計數器(TOF)、電磁量能器(EMC)、μ子探測器(MUC)和低溫超導磁鐵.關于BESIII探測器各部分結構、功能與參數的詳細描述可參考文獻[5].

本工作是在BESIII合作組建立的BESIII離線軟件系統(BOSS)[9]下進行的.基于GAUDI[10]的BOSS利用GEANT4[11]模擬了BESIII探測器的信息.本研究利用了BESIII合作組產生的106 M 單舉ψ(3686)蒙特卡羅樣本.在產生該樣本時ψ(3686)已知過程的衰變均按照《粒子物理評論》(PDG)[2]上的分支比設定，剩余的未知部分由LUNDCHARM[12]產生，其次級粒子J/ψ也一樣.本分析還產生了100000個ψ(3686)→J/ψπ+π-，J/ψ→γφ，φ→K+K-遍舉事例.其中ψ(3686)→J/ψπ+π-采用JPIPI產生子[13]產生，J/ψ→γφ采用相空間產生子產生，φ→K+K-采用VSS產生子[13]產生.

2數據分析

本分析通過ψ(3686)→J/ψπ+π-來研究J/ψ→γφ，而φ通過K+K-來重建，因而最終末態為γπ+π-K+K-.

2.1徑跡初選

好光子通過EMC中的電磁簇射來進行篩選.由于EMC的結構特點，要求光子在桶部EMC(|cosθ|<0.8)的沉積能量大于25 MeV，而光子在端蓋EMC(0.86<|cosθ|<0.92)的沉積能量則要大于50 MeV，在計算EMC沉積能量時包括了附近TOF中的沉積能量.為了排除來自帶電粒子產生的簇射，要求候選光子與任意帶電粒子的夾角大于10°.此外，還要求EMC簇射時間(TEMC)滿足0≤TEMC≤14，其中時間單位為50 ns.由于所研究末態的光子能量比較高，要求所選擇的好光子中必須有一條能量大于1.0 GeV.

BESIII探測器中的帶電徑跡由在MDC上的擊中來重建.帶電徑跡滿足要求|Vz|<10 cm、Rxy<1 cm和|cosθ|<0.93，其中Vz和Rxy分別是z方向和x-y平面上徑跡與對撞頂點的最近的距離，θ是徑跡的極角.

2.2事例篩選

2.3信號擬合

對通過篩選條件的候選事例，檢查K+K-的不變質量(MK+K-)譜以確定末態的信號.信號蒙特卡羅樣本的MK+K-譜如圖1所示.利用該分布生成幾率密度函數，如圖1中實曲線所示，利用該函數描述單舉ψ(3686)樣本中得到的候選事例的信號分布.

2.4背景分析

本分析利用MC truth信息進行背景分析.在單舉ψ(3686)樣本中，J/ψ衰變末態中J/ψ→γφ的分支比設定為零，因而在該單舉樣本中所得到的候選事例全部是背景事例.這些背景事例的衰變鏈及事例數在表1中列出，從衰變鏈可看出沒有含φ共振態的過程混入候選事例，即沒有峰狀背景.背景事例的MK+K-分布如圖2所示.利用圖1所示函數描述信號，利用1階多項式描述背景，對該不變質量譜進行擬合，相應的擬合結果如圖2所示.擬合得到信號事例數為0.0±0.7，此擬合結果與衰變鏈中觀察得到沒有峰狀背景一致.

圖1 信號MC樣本中MK+K-分布及 生成的幾率密度函數Fig.1 The MK+K- distribution of signal MC sample and the probability density function表1 單舉ψ(3686)MC樣本通過ψ(3686)→J/ψπ+π-，J/ψ→γφ，φ→K+K-事例選擇的衰變道及事例數Tab.1 background channels for ψ(3686)→J/ψπ+π-，J/ψ→γφ，φ→K+K-from ψ(3686) MC sample and the number for each channel

衰變鏈事例數ψ(3686)→J/ψπ+π-,J/ψ→γf2,f2→K+K-23ψ(3686)→J/ψπ+π-,J/ψ→π0K+K-10ψ(3686)→J/ψπ+π-,J/ψ→π0a02,a02→K+K-4ψ(3686)→J/ψπ+π-,J/ψ→γη,η→γπ+π-1ψ(3686)→γK*K*,K*→K-π+,K*→K+π-1ψ(3686)→J/ψπ+π-,J/ψ→γFSRγFSRe+e-1ψ(3686)→π0K-1K+,K-1→π-K*,K*→K-π+1ψ(3686)→γK-K+1,K+1→K*π+,K*→K+π-1ψ(3686)→γK+K-1,K-1→K-π+π-1總數44

圖2 單舉ψ(3686) MC 樣本中候選事例 的MK+K-分布及其擬合Fig.2 Fitting to the MK+K- spectra of candidate events from inclusive ψ(3686) MC sample

2.5上限計算

由于單舉ψ(3686)MC 樣本中不包含信號過程，而圖2表明在該樣本中仍有事例被當成了候選

事例.在這種情況下，可以根據有背景時的貝葉斯方法來計算該過程的上限值.利用該方法，得到在90%置信水平下J/ψ→γφ過程觀測事例數的上限Nup.圖3給出了取不同上限值時所對應的歸一化幾率，箭頭所示即在所得到的背景事例分布假設下得到的觀測事例數上限Nup=3.2.

表2 J/ψ→γφ分析結果Tab.2 Results of J/ψ→γφ

根據得到的上限事例數，可以計算BF(J/ψ→γφ)的上限

BF(J/ψ→γφ)<6.1×10-7.

BESIII合作組計劃采集1B的ψ(3686)數據，這將約是本工作所利用的單舉ψ(3686)樣本的10倍.考慮到統計量增加對實驗精度提升的影響，在同樣背景水平假設下，上限值將可以減小3～5倍，即最低的上限值可達1.3×10-7.

圖3 貝葉斯方法計算得到的上限事例數Fig.3 Upper limit number of observed events calculated with Bayesian method

3結論

本工作利用ψ(3686)→J/ψπ+π-過程研究在BESIII探測器上測量J/ψ→γφ能夠達到的實驗精度.根據對106 M 單舉ψ(3686)樣本的分析，在考慮背景影響的情況下，在90%置信水平下設定了J/ψ→γφ分支比的上限為BF(J/ψ→γφ)<6.1×10-7.該結果表明在BESIII探測器計劃采集的1Bψ(3686)實驗數據中，可將J/ψ→γφ的測量精度可達到10-7量級.

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Experimental sensitivity study ofJ/ψ→γφat BESIII

ZHENG Bo， XIAO Hao， LI Xiaohua

(School of Nuclear Science and Technology， University of South China， Hengyang， Hunan 421001)

Based on BOSS framework， using the 106 M inclusiveψ(3686) events produced by BESIII data production group， we studied the sensitivity of C parity violated channelJ/ψ→γφat BESIII. In the inclusiveψ(3686) sample without signal channel， we determined the upper limit observed number at 90% C.L.. We obtained the upper limit branching fraction ofJ/ψ→γφas 6.1×10-7. The results show the sensitivity can reach 10-7at the proposed data set will be collected at BESIII．

C parity violation;J/ψdecay; BESIII

2014-02-19.

國家自然科學基金項目(11205082，11205083);南華大學博士科研啟動基金項目(2011XQD28，2010XQD29);南華大學粒子物理與原子核物理創新團隊資助項目．

1000-1190(2014)04-0498-04

O572.21

A

*通訊聯系人. E-mail: lixiaohuaphysics@126.com．