[論文レビュー] CP Violation in $B^\pm o ρ^0π^\pm$ and $B^\pm o σπ^\pm$ Decays

Hai-Yang Cheng|arXiv (Cornell University)|May 12, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、QCD因子化（QCDF）におけるプエアン・アンニヒレーションおよびハードスペクテーター相互作用からの $1/m_b$ パワー補正が、期待される負のCP非対称性を相殺することを示し、$B^{-} \to \rho^{0}\pi^{-}$ 衰えにおける実験的観測と理論的予測の不一致を解消した。さらに、$B^{-} \to \sigma\pi^{-}$ における $15.95\%$ のCP非対称性を予測し、LHCbの測定値 $16.0 \pm 1.7\%$ と非常に良好に一致する。

ABSTRACT

The decay amplitude of $B^+ o π^+π^-π^+$ in the Dalitz plot has been analyzed by the LHCb using three different approaches for the $S$-wave component. It was found that the mode with $σ$ (or $f_0(500)$) exhibited a CP asymmetry of 15\% in the isobar model, whereas the $f_2(1270)$ mode had a 40\% asymmetry. On the contrary, CP asymmetry for the dominant quasi-two-body decay $B^- oρ^0π^-$ was found to be consistent with zero in all three approaches, while all the existing theoretical predictions lead to a negative CP asymmetry ranging from $-7\%$ to $-45\%$. We show that the nearly vanishing CP violation in $B^- oρ^0π^-$ is understandable in the framework of QCD factorization (QCDF). It arises from the $1/m_b$ power corrections to the penguin amplitudes due to penguin annihilations and to the color-suppressed tree amplitude due to hard spectator interactions. Penguin annihilation and hard spectator interactions contribute destructively to $A_{CP}(B^- oρ^0π^-)$ to render it consistent with zero. The branching fraction and CP asymmetry in $B^- oσ/f_0(500)π^-$ are investigated in QCDF with results in agreement with experiment.

研究の動機と目的

• 実験的観測（CP非対称性 ≈ 0%）と理論的予測（−7% から −45%）の間の長年の不一致を解消すること。$B^{-} \to \rho^{0}\pi^{-}$ 衰えに関して。
• QCD因子化（QCDF）を用いて、$B^{-} \to \sigma\pi^{-}$ 衰えの分岐比とCP非対称性を調査すること。
• 理論的に強く支持されているにもかかわらず、$B^{-} \to \rho^{0}\pi^{-}$ における大きな理論的CP非対称性が実験的に観測されない理由を説明すること。
• 特に幅広い $\sigma(500)$ 共鳴状態を含むスカラー・パイオン最終状態を記述するQCDFフレームワークの妥当性を検証すること。

提案手法

• QCD因子化（QCDF）を用いて、$B^{-} \to \rho^{0}\pi^{-}$ および $B^{-} \to \sigma\pi^{-}$ の崩壊振幅を計算し、$1/m_b$ パワー補正を含める。
• CP非対称性の期待される負の符号を相殺するために、プエアン・アンニヒレーションおよびハードスペクテーター相互作用の寄与を振幅計算に組み込む。
• 弱崩壊行列要素をモデル化するため、$\sigma$ メソンのライトコン大学分布振幅（LCDA）に、ねじれ-2優位性とゲーゲンバウアー係数を用いる。
• スカラーおよびベクトル粒子を含む弱崩壊の因子化公式を適用し、CKMfitterからのCKMパラメータを更新して入力パラメータを設定する。
• フォーム因子、崩壊定数、パワーコロクションの不確実性を含めた、完全なQCDF振幅を用いて分岐比とCP非対称性を評価する。
• 理論的予測を、イソバルモデル、$K$-行列モデル、準モデル独立的（QMI）手法におけるLHCbの実験的測定と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ $B^{-} \to \rho^{0}\pi^{-}$ における測定CP非対称性は理論的予測（−7% から −45%）とは対照的にほぼゼロに近い値であるのか？
• RQ2 LHCbが観測した $B^{-} \to \sigma\pi^{-}$ における大きなCP非対称性（15%）の起源は何か？ これはQCDFで説明可能か？
• RQ3 プエアン・アンニヒレーションおよびハードスペクテーター相互作用からの $1/m_b$ パワー補正が、$B^{-} \to \rho^{0}\pi^{-}$ におけるCP非対称性に与える影響は何か？
• RQ4 理論的予測の $B^{-} \to \sigma\pi^{-}$ の分岐比とCP非対称性は、LHCbの実験的データとどの程度一致するか？
• RQ5 QCDFは、$\sigma(500)$ 共鳴状態の広い幅効果を含めた $B^{-} \to \sigma\pi^{-}$ 衰えを的確に記述できるか？

主な発見

• $B^{-} \to \rho^{0}\pi^{-}$ におけるほぼゼロのCP非対称性は、QCDFにおけるプエアン・アンニヒレーションとハードスペクテーター相互作用からの $1/m_b$ パワー補正の破壊的干渉によって説明される。
• $B^{-} \to \rho^{0}\pi^{-}$ の計算されたCP非対称性は ${\cal A}_{CP} = (0.0 \pm 1.1)\%$ であり、LHCbの実験的結果 $0.7 \pm 1.1\%$ と整合的である。
• $B^{-} \to \sigma\pi^{-}$ の分岐比の理論的予測は $(5.38^{+0.19+1.34+0.94}_{-0.18-1.20-0.90}) \times 10^{-6}$ であり、実験的推定値 $(3.83 \pm 0.76) \times 10^{-6}$ と一致する。
• $B^{-} \to \sigma\pi^{-}$ のCP非対称性の予測は ${\cal A}_{CP} = (15.95^{+0.29+0.08+18.88}_{-0.28-0.06-21.88})\%$ であり、LHCbの測定値 $(16.0 \pm 1.7)\%$ と非常に良好に一致する。
• $\sigma$ メソンの広い幅が重要であることが判明し、有限な幅にもかかわらず、幅の狭い近似が実験的に妥当であることが示された。
• 本研究は、非因子化的およびパワーサブドメイン寄与を含めた場合に、QCDFがスカラー中間子を含む $B \to SP$ 衰えを的確に記述できることを確認した。