A basic assumption in fundamental physics is that equal amounts of matter and antimatter were created after the Big Bang. When particles and antiparticles collide, they annihilate, i.e. disappear and produce photons. Nevertheless, the universe consists mainly of matter today. To explain why all matter did not disappear, violation of CP symmetry beyond the Standard Model is required. CP symmetry means that the laws of physics are the same if particles are interchanged with antiparticles and spatial coordinates of all particles are mirrored. CP symmetry is relatively poorly tested in baryon decays. A new method to study CP symmetry in hyperon-antihyperon pairs has been developed at Uppsala University. Hyperons are baryons with one or more strange quarks. The method allows determining the decay asymmetry parameters of the hyperon and antihyperon separately if the hyperon-antihyperon pair is polarized. If any significant difference between the magnitudes of these parameters is found, the process is CP violating. The particle physics experiment BESIII in China is a suitable experiment to conduct this kind of measurements because it is a high precision experiment and has collected large data samples of hyperon-antihyperon pairs. The goal of this project was to study statistical precisions of the physics parameters that can be obtained with the new method in cases of J/ψ meson decaying into ΛΛ, Σ+Σ− and Σ0Σ0. High statistical precision is required to detect CP violation, because CP violating processes are, if they exist, expected to be rare. The main focus was to study the process e+e− → J/ψ → Σ0Σ0 → ΛγΛγ → pπ−γpπ+γ. In this process, CP symmetry can be tested in two decay processes: electromagnetic decay Σ0 → Λγ and weak decay Λ → pπ−. Only the asymmetry parameter of Λ → pπ− was studied. The study served as a validity check of the new method and ongoing analyses at BESIII. The statistical precision was studied by simulations: Monte Carlo data samples were created and then a maximum-log-likelihood fit was applied to the samples. An important component when determining the asymmetry parameters turned out to be the relative phase ∆φJ/ψ. The relative phase is one of the parameters used for determining the relation between the electric and magnetic form factors. ∆φJ/ψ is also related to the polarization of the hyperon-antihyperon pair. The study showed that the value of ∆φJ/ψ has a large impact on the uncertainties of the hyperon and antihyperon asymmetry parameters. A low value of ∆φJ/ψ resulted in high uncertainties and strong correlations between the asymmetry parameters. The formalism is different for different processes, which affects the uncertainties as well. The formalism used for the Σ0Σ0 process gives poorer parameter precision of the asymmetry parameter related to the Λ → pπ− decay than the formalism used for the ΛΛ process. Therefore, the ΛΛ process is a much more suitable process for CP studies of the Λ → pπ− decay. / Ett grundantagande inom den fundamentala fysiken är att lika stora mängder av materia och antimateria skapades efter Big Bang. När partiklar och antipartiklar kolliderar, annihilerar de, dvs försvinner och producerar fotoner. Trots detta består dagens universum huvudsakligen av materia. För att förklara varför all materia inte försvann krävs ett brott mot CP-symmetrin bakom standardmodellen. CP-symmetrin innebär att fysikens lagar är desamma om man byter partiklar mot antipartiklar och speglar partikelns rumsliga koordinater. CP-symmetri i baryonsönderfall är relativt dåligt testad. En ny metod för att studera CP-symmetrin har utvecklats vid Uppsala universitet för hyperon-antihyperon par. Hyperoner är baryoner med en eller fler särkvarkar. Metoden gör det möjligt att bestämma asymmetriparametrar hos hyperon- och antihyperonsönderfall separat om hyperonantihyperonparet är polariserat. Om en signifikant skillnad mellan värden av dessa parametrar upptäcks, är processen CP-brytande. Partikelfysikexperimentet BESIII i Kina är ett lämpligt experiment för sådana här mätningar eftersom det är ett högpresicionsexperiment och har dessutom samlat in stora mängder data av hyperon-antihyperonpar. Målet för detta projekt har varit att studera de statistiska precisioner av fysikparametrar som kan nås när man använder den nya metoden i de fall där J/ψ mesonen sönderfaller till ΛΛ, Σ+Σ− och Σ0Σ0. Hög statistisk precision behövs för att upptäcka CP-brott, eftersom CP-brytande processer, om de existerar, är relativt sällsynta. Huvudfokuset var att studera processen e+e− → J/ψ → Σ0Σ0 → ΛγΛγ → pπ−γpπ+γ. I denna process kan CP-symmetri testas för två sönderfallsprocesser: det elektromagnetiska sönderfallet Σ0 → Λγ och det svaga sönderfallet Λ → pπ−. I denna rapport studerades bara asymmetriparametrarna av Λ → pπ−. Detta arbete har fungerat som validitetskontroll av den nya metoden och pågående analyser på BESIII. Den statistiska precisionen undersöktes med simuleringar: Monte Carlo datamängder skapades och sedan en maximum-log-likelihood-anpassning av datan genomfördes. En viktig komponent i bestämningen av asymmetriparametrarna visade sig vara den relativa fasen, ∆φJ/ψ. Den relativa fasen är en av de parametrar som används för att bestämma relationen mellan de elektriska och magnetiska formfaktorer. ∆φJ/ψ är också relaterad till hyperonens hyperon-antihyperonparets polarisation. I forskningsprojektet visades att ∆φJ/ψ har en stor inverkan på osäkerheterna av hyperon- och antihyperonasymmetriparametrarna. Ett lågt värde av ∆φJ/ψ resulterade i stora osäkerheter och starka korrelationer mellan asymmetriparametrarna. Formalismen är annorlunda för olika processer, vilket också påverkar osäkerheterna. Formalismen som används för Σ0Σ0-processen ger sämre parameterprecision av asymmetriparametern kopplad till sönderfallet Λ → pπ− än formalismen som används för ΛΛ-processen. Därför är ΛΛ-processen en mycket lämpligare process för att testa CP-symmetrin i Λ → pπ− sönderfallet.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:uu-388602 |
| Date | January 2019 |
| Creators | Heikkilä, Annele |
| Publisher | Uppsala universitet, Kärnfysik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | FYSAST ; FYSKAND1104 |
Page generated in 0.0022 seconds