J/ψ衰变中的CP破坏测量

论文摘要

由于标准模型未能完全解释宇宙中物质与反物质存在的较大不对称性,人们相信存在超出标准模型的新物理,标准模型只是在一定能量标度下适用的有效理论。然而到目前为止,人们在K, B介子等体系中发现的CP破坏量级都与标准模型的预言相符合,这促使人们在更广泛的体系中寻找CP破坏存在的信号。最令人感兴趣的是那些在标准模型预言中只存在极少量CP破坏的过程,例如由于粒子电偶极矩导致的CP破坏过程。由于标准模型中预言的粒子电偶极矩非常小,由此引起的CP破坏也低于实验观测下限,因此这些体系是寻找超出标准模型新物理的很好的平台。对于电子、中子等粒子的电偶极矩,实验上测量到的上限已经非常低,但是对Λ,Σ,Ξ等粒子的电偶极矩实验上得到的上限还很高。对J/ψ→ΛΛˉ衰变过程的研究能够提供Λ粒子电偶极矩、可能存在的CP破坏以及超出标准模型的新物理等的相关信息。本文首先利用蒙特卡洛方法研究J/ψ→ΛΛˉ衰变过程以及可能的本底,给出了信号道的选择条件。北京谱仪（BESII）在其运行过程中收集到5.8×107J/ψ事例。在这个事例样本中挑选得到9620个信号道事例,得到这个衰变过程的CP破坏是（?0.19±1.11±0.93）×10?2,在此结果中没有观测到CP破坏存在的信号。利用这一测量结果,在95%置信概率下,得到的Λ电偶极矩dΛ上限是2.4×10?16 e cm。本文改进了J/ψ→ΛΛˉ衰变过程CP破坏的测量方案。通过计算J/ψ→ΛΛˉ衰变的全角分布,将测量CP破坏转化为测量J/ψ→ΛΛˉ衰变过程全角分布的自由参数。蒙特卡洛研究表明用改进方案测量CP破坏时的统计误差只有直接测量时的七分之一。在只考虑统计误差的情况下,用104个重建的J/ψ→ΛΛˉ,Λ→pπ?,Λˉ→pˉπ+事例,可以预期在实验上能够得到的Λ电偶极矩dΛ上限是0.4×10?16 e cm。本文进一步将这一测量方案推广到对Σ,Ξ超子的电偶极矩的测量中。运用蒙特卡洛方法研究Σ,Ξ超子的电偶极矩dΣ,dΞ上限与J/ψ→Σ0Σˉ0,ΞΞˉ衰变过程全角分布的自由参数之间的依赖关系。在开始运行的BESIII探测器上每年可以预期得到109J/ψ事例。基于这个数据样本规模,蒙特卡洛研究显示,根据自由参数取值的不同,实验上可能得到的Σ,Ξ电偶极矩dΣ,dΞ上限变化范围为10?16～10?18 e cm。针对改进方案中用到的不分区间极大似然拟合,本文提出了一种拟合优度检验方案。在未知探测器响应函数的显式表达式的情况下,指出如果探测器响应函数是缓变的,则检验统计量与极大似然函数值之间存在强烈的关联。给出了用蒙特卡洛估计这种关联的方法,用两个实例对这种拟合优度检验方案的使用进行了说明。本文还研究了J/ψ→γ??衰变中的CP对称性。在J/ψ→γ??衰变中存在两种可能的衰变方式,即J/ψ粒子直接衰变到γ??末态以及J/ψ先衰变到γ和一个共振态粒子Y ,然后再衰变到γ??末态两种情况。对这两种衰变过程的全角分布分别进行研究,表明在后一个过程中没有CP破坏。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 粒子物理学的发展
• 1.1.2 对称性研究的意义和CP破坏
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 CP破坏的理论解释
• 1.2.2 介子衰变中的CP破坏
• 1.2.3 标准模型范围内的CP破坏检验
• 1.2.4 超出标准模型之外的CP破坏寻找
• 1.3 研究动机和主要工作
• 第2章 BESII上J/ψ →Λ衰变中的CP破坏测量
• 2.1 BESII的硬件系统简介
• 2.2 J/ψ → ΛΛ事例的蒙特卡洛模拟
• 2.3 J/ψ → ΛΛ事例的选择
• 2.3.1 径迹选择
• 2.3.2 事例选择
• 2.4 J/ψ → ΛΛˉ衰变的本底研究
• 2.4.1 本底道分析
• 2.4.2 用J/ψ → Anything数据检验本底
• 2.4.3 选择条件的效率和结果
• 2.5 误差分析
• 2.5.1 统计误差
• 2.5.2 系统误差
• 2.6 本章小结
• 第3章 J/ψ → ΛΛ衰变中CP破坏测量方案的改进
• 3.1 改进方案的动机
• 3.2 J/ψ → ΛΛ衰变的全角分布分析
• 3.3 全角分布中的自由参数与CP观测量的平均值
• 3.4 全角分布中的相位选择规则讨论
• 3.4.1 相位选择规则
• 3.4.2 计算级联衰变过程的全角分布
• 3.5 本章小结
• 第4章 改进后测量方案的蒙特卡洛模拟分析
• 4.1 方案用于J/ψ → ΛΛ衰变时的蒙特卡洛模拟分析
• 4.2 方案用于其它过程时的蒙特卡洛模拟分析
• 4.2.1 全角分布讨论
• 0Σ⁰衰变时的蒙特卡洛模拟分析'>4.2.2 方案用于J/ψ → Σ⁰Σ⁰衰变时的蒙特卡洛模拟分析
• 4.2.3 方案用于J/ψ → ΞΞ衰变时的蒙特卡洛模拟分析
• 4.3 不分区间极大似然法的拟合优度检验
• 4.3.1 拟合优度检验公式
• 4.3.2 拟合优度检验方案的蒙特卡洛研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 J/ψ → γφφ衰变中的CP对称性
• 5.1 J/ψ → γφφ衰变的全角分布分析
• 5.1.1 J/ψ粒子直接衰变到γφφ末态
• 5.1.2 J/ψ粒子通过中间束缚态间接衰变到γφφ末态
• 5.2 CP破坏观测量的平均值
• 5.3 实验测量的可行性
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 选择J/ψ → pp-π+π-事例
• 附录 B BESII粒子鉴别方法简介
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历