Beijing Spectrometer III (BESIII) samarbete, ett stort team av forskare från universitet världen över som genomför partikelfysikstudier har nyligen rapporterat om den första observationen av det leptoniska sönderfallet D+→τ+ντ. Denna observation, presenteras i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , öppnar möjligheten för ytterligare tester av mu/tau universalitet i D-förfall.

Före denna studie, det fanns bara ett experimentellt resultat relaterat till samma leptoniska sönderfall, samlats in av en annan grupp forskare som kallas CLEO-samarbetet. CLEO-samarbetet, dock, observerade inte en signal för D+→τ+ντ och kunde bara ställa in en övre gräns, som bara var 20 procent större än standardmodellens förutsägelse för hastigheten på detta förfall. I deras senaste studie, BESIII-samarbetet syftade till att undersöka detta förfall ytterligare, hoppas att deras stora dataprov skulle möjliggöra nya upptäckter.

"Vi insåg att ett nollresultat skulle vara lika (eller mer) spännande, eftersom det kan avslöja ny fysik utöver standardmodellen, "Dr Hailong Ma, medsammankallande av charmgruppen BESIII, berättade för Phys.org. "Det fanns stora utmaningar, dock, och även med ~3,6 gånger CLEO:s dataprov visste vi att vi skulle behöva bättre förståelse för bakgrundsprocesser och kontroll av experimentell systematik."

Elektron-positronförintelser i BEPCII-elektron-positronkollideren som används av Ma och hans kollegor vid energin av psi(3770)-resonansen producerar orörda prover av händelser, var och en med endast en enda D+ och en enda D-meson. Forskarna valde ut händelser där D- var helt rekonstruerad och testade om resten av händelserna var förenliga med D+→τ+ντ, som bara bidrar med en laddad partikel.

"För även denna enkla signal i den rena BESIII-miljön, det finns höghastighetsbakgrundsprocesser som kan svämma över signalen, "Dr Hajime Muramatsu, en forskare vid University of Minnesota som ledde studien, berättade för Phys.org. "Att undertrycka de två största av dessa, D+ -> pi+ pi0 och D+ -> pi+ K_L, var vårt största problem när vi utformade vår mätning. Dessa processer kan misstas för vår signal när de är ofullständigt eller felaktigt rekonstruerade och för vår analys kom vi fram till två nya verktyg för bakgrundsundertryckning."

Ett av de två verktygen för bakgrundsundertryckning som tagits fram av BESIII-samarbetet innebär att eliminera händelser där det saknade momentumet pekar utanför den aktiva detektorn för att undvika att partiklar som flyr ut förväxlas med oupptäckbara neutriner. Det saknade momentumet beräknas från egenskaperna hos den utplånande elektronen och positronen, såväl som de detekterade sluttillståndspartiklarna.

Det andra verktyget som forskarna tog fram, å andra sidan, fungerar genom att avvisa bakgrundshändelser baserat på de ytterligare energiavlagringar som de kan producera i sin detektors elektromagnetiska kalorimeter. Detta specifika krav accepterar effektivt signalhändelser, för vilka de enda extra partiklarna är neutriner som penetrerar detektorn utan att lämna spår.

BESIII-samarbetets observation av leptoniskt sönderfall D+→τ+ντ fyller en viktig lucka i standardmodellen för partikelfysik, möjliggör nya tester av modellen. En nyckelfunktion i standardmodellen är 'leptonuniversalitet, "som kräver att elektronen, muon och tau beter sig nästan identiskt i alla interaktioner.

"Närare mätningar av sönderfall av B-mesoner tyder på en möjlig kränkning av leptonuniversalitet, gör det ännu mer intressant att utföra tester på charmmesonerna D och Ds, " Prof. Ron Poling, en forskare vid University of Minnesota involverad i studien, berättade för Phys.org. "Det finns många resultat på Ds+ -> tau+ nu som är något spridda men i stort sett överensstämmande med standardmodellens förutsägelse. Eftersom D+ -> tau+ nu hade aldrig tidigare setts, vår studie ger den första möjligheten att testa för mu/tau universalitet i D-förfall."

Den nyligen genomförda studien av BESIII-samarbetet visar att den leptoniska sönderfallshastigheten D+→τ+ντ överensstämmer med teoretiska förväntningar inom experimentell osäkerhet, vilket stärker förtroendet för standardmodellen. Den första mätningen av D+→τ+ντ de samlade, baserat på ~3/fb e+e-förintelsedata, är statistiskt begränsad (dvs. med en relativ statistisk osäkerhet på 20 procent på sönderfallshastigheten och lepton-universalitetstestet). I framtiden, större datamängder och ytterligare statistik skulle kunna bana väg för mer specifika mätningar.

"BEPCII och BESIII planerar att ta mer data inom en snar framtid och att uppgradera både accelerator- och detektorkapacitet, " Prof. Changzheng Yuan, BESIII talesman, berättade för Phys.org. "Vi har föreslagit att samla in 20/fb psi(3770) data i framtiden, minska det relativa statistiska felet för D+ -> tau+ nu mätning till mindre än 8 procent. BESIII kommer också att använda detta och stora dataprover vid andra energier för att förfina vår förståelse av liknande sönderfall av Ds meson och för att utöka många andra undersökningar av charmade mesoner, charmade baryoner och andra stater."

© 2019 Science X Network