郑 波， 肖 浩， 李小华

(南华大学 核科学技术学院， 湖南 衡阳421001)



BESIII 实验测量J/ψ→γφ精度的研究

郑 波， 肖 浩， 李小华*

(南华大学 核科学技术学院， 湖南 衡阳421001)

基于BOSS软件框架，利用BESIII合作组产生的106 M单举ψ(3686)事例，研究了在BESIII上实验测量C宇称破坏过程J/ψ→γφ可达到的实验精度.在无信号事例的单举ψ(3686)样本中，在90%置信水平下设定了该过程观测事例数的上限，并计算得到BF(J/ψ→γφ)的上限为6.1×10-7.研究结果表明在BESIII计划采集的实验数据样本下，该C宇称破坏过程的实验测量精度可达到10-7量级.

C宇称破坏;J/ψ衰变; BESIII

电荷共轭操作(C) 将粒子转换成其反粒子(或反过来).C宇称守恒意味着物理定律在C变换下具有不变性.标准模型中两大基本理论—量子色动力学(QCD)和量子电动力学(QED)在C变换下不变.标准模型也预期C变换在电磁相互作用中不变，但这种假设必须获得实验的支持，然而到目前为止仅有一些检验C不变性的实验上限.实验上已经发现弱电统一理论中的弱相互作用部分C宇称不守恒，这促使人们去寻找在电磁相互作用中的C宇称不守恒.此外，根据大爆炸理论，正反物质应该完全对称，然而目前观测到宇宙中存在的几乎全部是正物质而几乎没有反物质.确定C宇称不变性有效的量级对于寻找正反物质不对称的起源有重要的意义.由于绝大部分C宇称破坏的电磁相互作用过程背景非常复杂，且无法消除，很难寻找到适合检验C宇称不变性的衰变过程[1].目前已有的C宇称不变性的实验检验主要集中在π0、η和η’等标量介子衰变[2]，仅有少量的实验检验矢量介子衰变的C宇称不守恒，并且集中在ω和J/ψ→γγ[2-4].BESIII计划采集超过1B的ψ(3686)实验数据，由于ψ(3686)→J/ψπ+π-的分支比超过30%[2]，这使利用该过程来精确检验J/ψ衰变中C宇称不守恒成为可能.本工作通过分析106 M 单举ψ(3686)蒙特卡罗样本来确定在BESIII上测量C宇称不守恒过程J/ψ→γφ衰变能够达到的精度.

1BESIII探测器及蒙特卡罗模拟

北京谱仪-III(BESIII)探测器[5]是工作在北京正负电子对撞机-II(BEPC-II)[5-7]上的大型综合通用型谱仪，它主要进行τ-粲能区的实验[8].它包括主漂移室(MDC)、飞行时间计数器(TOF)、电磁量能器(EMC)、μ子探测器(MUC)和低温超导磁铁.关于BESIII探测器各部分结构、功能与参数的详细描述可参考文献[5].

本工作是在BESIII合作组建立的BESIII离线软件系统(BOSS)[9]下进行的.基于GAUDI[10]的BOSS利用GEANT4[11]模拟了BESIII探测器的信息.本研究利用了BESIII合作组产生的106 M 单举ψ(3686)蒙特卡罗样本.在产生该样本时ψ(3686)已知过程的衰变均按照《粒子物理评论》(PDG)[2]上的分支比设定，剩余的未知部分由LUNDCHARM[12]产生，其次级粒子J/ψ也一样.本分析还产生了100000个ψ(3686)→J/ψπ+π-，J/ψ→γφ，φ→K+K-遍举事例.其中ψ(3686)→J/ψπ+π-采用JPIPI产生子[13]产生，J/ψ→γφ采用相空间产生子产生，φ→K+K-采用VSS产生子[13]产生.

2数据分析

本分析通过ψ(3686)→J/ψπ+π-来研究J/ψ→γφ，而φ通过K+K-来重建，因而最终末态为γπ+π-K+K-.

2.1径迹初选

好光子通过EMC中的电磁簇射来进行筛选.由于EMC的结构特点，要求光子在桶部EMC(|cosθ|<0.8)的沉积能量大于25 MeV，而光子在端盖EMC(0.86<|cosθ|<0.92)的沉积能量则要大于50 MeV，在计算EMC沉积能量时包括了附近TOF中的沉积能量.为了排除来自带电粒子产生的簇射，要求候选光子与任意带电粒子的夹角大于10°.此外，还要求EMC簇射时间(TEMC)满足0≤TEMC≤14，其中时间单位为50 ns.由于所研究末态的光子能量比较高，要求所选择的好光子中必须有一条能量大于1.0 GeV.

BESIII探测器中的带电径迹由在MDC上的击中来重建.带电径迹满足要求|Vz|<10 cm、Rxy<1 cm和|cosθ|<0.93，其中Vz和Rxy分别是z方向和x-y平面上径迹与对撞顶点的最近的距离，θ是径迹的极角.

2.2事例筛选

2.3信号拟合

对通过筛选条件的候选事例，检查K+K-的不变质量(MK+K-)谱以确定末态的信号.信号蒙特卡罗样本的MK+K-谱如图1所示.利用该分布生成几率密度函数，如图1中实曲线所示，利用该函数描述单举ψ(3686)样本中得到的候选事例的信号分布.

2.4背景分析

本分析利用MC truth信息进行背景分析.在单举ψ(3686)样本中，J/ψ衰变末态中J/ψ→γφ的分支比设定为零，因而在该单举样本中所得到的候选事例全部是背景事例.这些背景事例的衰变链及事例数在表1中列出，从衰变链可看出没有含φ共振态的过程混入候选事例，即没有峰状背景.背景事例的MK+K-分布如图2所示.利用图1所示函数描述信号，利用1阶多项式描述背景，对该不变质量谱进行拟合，相应的拟合结果如图2所示.拟合得到信号事例数为0.0±0.7，此拟合结果与衰变链中观察得到没有峰状背景一致.

图1 信号MC样本中MK+K-分布及 生成的几率密度函数Fig.1 The MK+K- distribution of signal MC sample and the probability density function表1 单举ψ(3686)MC样本通过ψ(3686)→J/ψπ+π-，J/ψ→γφ，φ→K+K-事例选择的衰变道及事例数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

衰变链事例数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总数44

图2 单举ψ(3686) MC 样本中候选事例 的MK+K-分布及其拟合Fig.2 Fitting to the MK+K- spectra of candidate events from inclusive ψ(3686) MC sample

2.5上限计算

由于单举ψ(3686)MC 样本中不包含信号过程，而图2表明在该样本中仍有事例被当成了候选

事例.在这种情况下，可以根据有背景时的贝叶斯方法来计算该过程的上限值.利用该方法，得到在90%置信水平下J/ψ→γφ过程观测事例数的上限Nup.图3给出了取不同上限值时所对应的归一化几率，箭头所示即在所得到的背景事例分布假设下得到的观测事例数上限Nup=3.2.

表2 J/ψ→γφ分析结果Tab.2 Results of J/ψ→γφ

根据得到的上限事例数，可以计算BF(J/ψ→γφ)的上限

BF(J/ψ→γφ)<6.1×10-7.

BESIII合作组计划采集1B的ψ(3686)数据，这将约是本工作所利用的单举ψ(3686)样本的10倍.考虑到统计量增加对实验精度提升的影响，在同样背景水平假设下，上限值将可以减小3～5倍，即最低的上限值可达1.3×10-7.

图3 贝叶斯方法计算得到的上限事例数Fig.3 Upper limit number of observed events calculated with Bayesian method

3结论

本工作利用ψ(3686)→J/ψπ+π-过程研究在BESIII探测器上测量J/ψ→γφ能够达到的实验精度.根据对106 M 单举ψ(3686)样本的分析，在考虑背景影响的情况下，在90%置信水平下设定了J/ψ→γφ分支比的上限为BF(J/ψ→γφ)<6.1×10-7.该结果表明在BESIII探测器计划采集的1Bψ(3686)实验数据中，可将J/ψ→γφ的测量精度可达到10-7量级.

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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.

国家自然科学基金项目(11205082，11205083);南华大学博士科研启动基金项目(2011XQD28，2010XQD29);南华大学粒子物理与原子核物理创新团队资助项目．

1000-1190(2014)04-0498-04

O572.21

A

*通讯联系人. E-mail: lixiaohuaphysics@126.com．