近日，北京譜儀III（BESIII）合作組完成了當(dāng)前國際上最精確的中性D介子衰變到強(qiáng)子末態(tài)KS/Lπ+π- 的強(qiáng)相差實(shí)驗(yàn)測量，相關(guān)研究成果已于6月15日在線發(fā)表在《Physical Review Letters》和《Physical Review D》上。
強(qiáng)相位產(chǎn)生于衰變末態(tài)強(qiáng)子之間的相互作用，它不能通過理論計(jì)算得到可靠的結(jié)果，只能通過實(shí)驗(yàn)測量得到。BESIII文章報(bào)告的強(qiáng)相差反映了中性D介子和它的反粒子同時(shí)衰變到相同強(qiáng)子過程所產(chǎn)生的強(qiáng)相位的差值。在所有可能的強(qiáng)子末態(tài)中，KS/Lπ+π- 的強(qiáng)相差是當(dāng)前國際上最關(guān)心的參數(shù)，因?yàn)樗軌驗(yàn)闇y量粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型理論中的其他重要基本參數(shù)提供關(guān)鍵和亟需的實(shí)驗(yàn)輸入。這些重要基本參數(shù)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相位角γ和描述中性D介子和它的反粒子振蕩的混合參數(shù)等。此外，通過精確測量CKM相角γ能夠?yàn)闄z驗(yàn)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型理論提供一個(gè)直接標(biāo)度，進(jìn)而為尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型理論的新物理提供一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)探針。
在2009和2010年，克利奧實(shí)驗(yàn)（CLEO）通過分析0.82/fb正負(fù)電子湮滅的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)首次測量了該強(qiáng)相差參數(shù)。然而受限于CLEO實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)樣本，由此強(qiáng)相差參數(shù)引入的γ測量的系統(tǒng)誤差大約為4度，是主導(dǎo)的系統(tǒng)誤差來源。預(yù)計(jì)到2030年，γ的統(tǒng)計(jì)誤差預(yù)期可以降低至大約1.5度甚至更小的水平。在此情況下，γ的測量精度將由強(qiáng)相差參數(shù)引入的系統(tǒng)誤差主導(dǎo)。因此，將γ的測量精度降低至1度甚至更低水平是當(dāng)前和今后高能味物理實(shí)驗(yàn)的重要目標(biāo)，一直以來備受國際味物理同行專家的廣泛關(guān)注。
運(yùn)行在北京正負(fù)電子對撞機(jī)上的BESIII探測器是國際上唯一正在運(yùn)行的、能夠精確測量強(qiáng)相差參數(shù)的大科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。在質(zhì)心系能量3.773 GeV處，來自ψ(3770)衰變產(chǎn)生的中性D介子和它的反粒子由于其波函數(shù)反對稱從而具備了量子關(guān)聯(lián)特性，為BESIII實(shí)驗(yàn)開展強(qiáng)相差研究工作提供了實(shí)驗(yàn)測量基礎(chǔ)。為了最大限度地挖掘BESIII實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的潛力，分析團(tuán)隊(duì)通過多種方法改進(jìn)數(shù)據(jù)分析技術(shù)，引入更多的單標(biāo)記衰變過程以增加信號的統(tǒng)計(jì)量、拓展部分重建分析技術(shù)以提高信號過程的探測效率、首次在測量中修正區(qū)間遷移效應(yīng)的影響以降低測量值與真實(shí)值之間的偏離等。
對比之前的CLEO實(shí)驗(yàn)，BESIII實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)分析中的這些改進(jìn)工作對提高強(qiáng)相差參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量精度起到了重要作用，并獲得了當(dāng)前國際上實(shí)驗(yàn)測量精度最高的中性D介子及其反粒子衰變到KS/Lπ+π- 的強(qiáng)相差參數(shù)。利用BESIII的強(qiáng)相差參數(shù)測量值作為輸入，預(yù)期可以將γ的主導(dǎo)系統(tǒng)誤差首次降低至約１度甚至更低的水平。在未來10年內(nèi)，BESIII合作組精確測量的強(qiáng)相差參數(shù)可以確保大型強(qiáng)子對撞機(jī)底夸克實(shí)驗(yàn)（LHCb）和貝爾II（Belle II）實(shí)驗(yàn)上的γ測量精度不受強(qiáng)相差輸入精度的限制。此外，BESIII的強(qiáng)相差測量工作也對味物理實(shí)驗(yàn)中正在開展的一系列γ測量工作及相關(guān)的其它實(shí)驗(yàn)測量有著深遠(yuǎn)的影響。
BESIII合作組論文：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.241802
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.101.112002
BESIII測量結(jié)果（紅色帶誤差棒的點(diǎn)）、CLEO實(shí)驗(yàn)結(jié)果（綠色帶誤差棒的方框）和BaBar&Belle 2018理論預(yù)期值（黑色空心圓）的對比。其中左側(cè)，居中和右側(cè)圖分別是 "Equal ΔδD"，"Optimal" 和 "Modified Optimal" 分區(qū)間情況下得到的結(jié)果；圓圈代表了測量參數(shù)的物理邊界c2i+s2i=1。
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