BESIII实验中稀有和禁戒衰变的研究及新物理的寻找

Quest for new physics is the frontier of particle physics. The remarkable success of the Standard Model suggests that deviations from it exist either at very high energy scales or in extremely small effects in low energy regimes. While direct searches at Large Hadron Collider have not yet discovered any deviation from the SM, new physics might be in very rare processes. Rare and forbidden decays at tau-charm factory are a crucial place to look for new phenomenon. The rare and forbidden decays had never been systematically studied at the BESIII experiment before, because of the lack of high statistics of experimental data. In this project, we will perform a comprehensive and systematic study of the rare and forbidden decays by using huge statistics and high quality charmonium data recently collected with the BESIII detector. Specifically, we will extensively measure the branching fractions and/or upper limits of various rare and forbidden decay channels of the D, J/psi and psi(2S). Should any obvious deviation from the SM be observed in those measurements, it will certainly be a major contribution to the particle physics from the BESIII collaboration.

寻找新物理是粒子物理学最前沿的研究课题之一。标准模型取得的巨大成功表明，对它的偏差或者存在于极高的能量尺度，或者属于低能量区非常小的效应。迄今为止，大型强子对撞机上的直接寻找尚未发现任何偏离标准模型的迹象，因此新物理可能出现在非常稀有的过程中。τ-粲工厂中的稀有和禁戒衰变过程是寻找新物理的一个关键场所。以往由于缺少高统计量的实验数据，BESIII实验没有对稀有和禁戒衰变过程进行过系统研究。本项目将利用BESIII新近采集的大量高质量粲偶素数据，对稀有和禁戒衰变进行全面和系统的研究。具体而言，我们将对D、J/psi和psi(2S)的各种稀有和禁戒衰变道的分支比和/或上限进行广泛测量。如果在这些过程中能观测到任何对标准模型的明显偏离，无疑将是BESIII合作组对粒子物理学的重大贡献。

寻找超出标准模型（BSM）的新物理是当前粒子物理最重要的前沿研究之一。在高强度前沿的实验中，稀有和禁戒衰变过程是寻找新物理最灵敏的途径。项目利用BEPCII-BESIII大科学装置采集的实验数据，首次全面系统地开展新物理的寻找。.主要研究内容包括：1）寻找标准模型（SM）稀有过程，例如味道改变的中性流（FCNC）、粲偶素的弱衰变等过程；2）寻找SM禁戒过程，例如带电轻子味道破坏（LFV）、轻子数破坏（LNV）和重子数破坏（BNV）等过程；3）精确测量SM允许过程，寻找偏离SM预言的实验证据，例如通过精确测量强子的纯轻和半轻衰变过程，检验轻子味道普适性（LFU）；4）寻找BSM奇特现象，例如暗光子和轻暗物质，及夸克偶素不可见衰变。.通过对上述四大类几十个衰变道的研究，我们在BESIII实验的新物理寻找方面开展了很多开创性的工作，在PRL、PRD、Nature Physics、CPC等学术期刊发表论文十余篇。例举重要成果如下：1）对D介子的11个FCNC过程D→h(h(′))e+e-（h是强子）进行寻找，其中D+介子的4个四体衰变道是世界首次测量，D0介子的7个衰变道结果普遍比以前的测量值改善1个量级以上，这些结果可以帮助理论家对新物理模型的参数给出更严格的限制；2）在D介子的3个LNV过程D→Kπe+e+中寻找Majorana中微子νm，其中2个D+的LNV过程是世界首次测量，D0的LNV过程结果较E791好2个量级，还估计了e+与νm的混合矩阵元，为在D介子衰变中研究νm与SMνe的混合提供实验信息；3）研究了半轻衰变过程D0→Kμν和纯轻衰变过程Ds+→μν，对LFU进行检验，在现有统计量下没有观测到LFU破坏的迹象，有助于人们理解B介子中的反常现象；4）首次在J/ψ→ω/φη过程中寻找轻矢量介子ω/φ不可见衰变，结果未发现明显信号，为研究暗物质的性质和约束唯象模型的参数提供补充信息。.项目对多个衰变过程的研究为世界首次测量，部分衰变过程的上限测量结果相比以前有几倍到几个数量级不同程度的改善。研究结果对一些新物理模型及参数空间给出了更严格的约束，也为今后继续在BESIII或类似实验寻找新物理提供指导和借鉴。