[論文レビュー] Direct CP Violation in B+ to J/psi K+ Decay as Probe for New Physics

W.-S. Hou, Makiko Nagashima+1 more|ArXiv.org|May 8, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、$B^+ \to J/\psi K^+$崩壊モードにおける直接CP対称性の破れが、新しい物理の感受性の高いプローブとなり得ると提案している。既存の$B$中間子崩壊における新しい物理の兆候が確認された場合、1%以上の非対称性が予測される。解析では、1%を超える非ゼロの直接CP非対称性$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$は、特に電弱ペンギンまたはカラーシュリンクドペンギン振幅における新しい物理位相によって駆動される場合、標準模型を越える物理を強く示唆する。

ABSTRACT

Currently there are New Physics hints in mixing-induced CP violation S(phi K0), S(pi0 K0) < S(J/psi K0), unequal direct CP violation A(K+ pi-) differs A(K+ pi0), and maybe even in measured S(J/psi K0) vs prediction from global fit to other data. However, these hints either suffer from experimental uncertainties, or uncertain hadronic corrections, and are not yet unequivocal. Motivated by these hints, however, we point out that a unique probe may be direct CP violation in B to JψK mode. An asymmetry observed at 1% or higher would indicate New Physics.

研究の動機と目的

• 他の$B$崩壊モードにおける曖昧な兆候を踏まえ、$B^+ \to J/\psi K^+$崩壊における直接CP対称性の破れが、新しい物理を明確に探る手段となり得るかを調査すること。
• 新しい物理が$b \to s\bar{q}q$または$b \to c\bar{c}s$崩壊に存在する場合、$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$が1%以上に達する可能性を評価すること。
• 2008年までに予想される約2000Mの$B\bar{B}$ペアを含む、既存および将来の$B$ファクトリーデータを用いて、$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$を高精度で測定する可能性を評価すること。
• 電弱ペンギンおよびカラーシュリンクドペンギン振幅における新しい物理寄与の理論的基盤を検討し、それらが強い位相$\delta$に与える影響を評価すること。

提案手法

• 崩壊振幅$B^+ \to J/\psi K^+$は、$\mathcal{M} = a e^{i\delta} + b e^{-i\phi}$としてモデル化され、$a$が支配的で$\delta$は強い位相を表す。
• 新しい物理寄与は、有効なウィルソン係数$\Delta c_3^{\psi K}$および$\Delta c_9^{\psi K}$を介してパrameter化され、それぞれカラーシュリンクドおよび電弱ペンギン振幅を表す。
• モデルは$\Delta c_5^{\psi K} = \Delta c_7^{\psi K} = 0$を仮定し、$\Delta c_3^{\psi K} \propto \xi^{LL}_3 e^{i\phi_L}$および$\Delta c_9^{\psi K} \propto \xi^{LL}_9 e^{i\phi_L}$を想定し、$\phi_L$は新しい物理のCP位相を表す。
• 直接CP非対称性$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$は、$\delta$および$\phi_L$の関数として計算され、$|\delta| \sim 30^\circ$および$\phi_L \sim -90^\circ$の場合に$|\mathcal{A}_{J/\psi K^+}|$が数パーセントに達することが示された。
• この分析では、$Z'$モデルおよび4世代モデルを用いて、標準模型予測からの$\mathcal{S}_{J/\psi K^0}$の約-0.05のずれが、$\mathcal{A}_{J/\psi K^+} \sim$数パーセントを引き起こす可能性があることを示した。
• 統計誤差の推定は、約500Mの$B\bar{B}$イベント（Belle）および約2000Mのイベント（2008年）を仮定して行われ、それぞれ統計誤差が0.005未満および0.003未満に低下することが予想された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1%以上の直接CP非対称性$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$が、$B$崩壊における新しい物理を決定的に探るプローブとなり得るか？
• RQ2 電弱ペンギンまたはカラーシュリンクドペンギン振幅における新しい物理位相が、$B^+ \to J/\psi K^+$における大きな直接CP非対称性を生成する理論的メカニズムは何か？
• RQ3 現在の$\mathcal{S}_{J/\psi K^0}$および$\mathcal{A}_{K^+\pi^0} - \mathcal{A}_{K^+\pi^-}$の測定結果が、新しい物理の文脈で$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$の大きさにどのような制約を与えるか？
• RQ4 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$における新しい物理信号を標準模型の期待値から区別するにはどの程度の統計的精度が必要か？
• RQ5 将来のスーパーBファクトリの文脈において、システムティックな不確実性が$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$の測定に及ぼす影響は何か、特にミリレベルでの測定にどう影響するか？

主な発見

• 1%以上の直接CP非対称性$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$は、特に電弱ペンギンまたはカラーシュリンクドペンギン振幅における新しい物理位相によって駆動される場合、新しい物理の強力な証拠を示す。
• 理論的モデリングにより、$|\delta| \sim 30^\circ$および$\phi_L \sim -90^\circ$の場合に$|\mathcal{A}_{J/\psi K^+}|$が数パーセントに達することが示された。これは$Z'$モデルおよび4世代モデルの予測と整合的である。
• 約500Mの$B\bar{B}$イベントを用いれば、$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$の統計誤差は0.005未満にまで低下し、2%の非対称性は明確に検出可能になる。
• 現在の世界平均値$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$はPDG 2005の値で$0.016 \pm 0.016$（CLEO、Belle、BaBarのデータに基づく）であるが、2003年以来更新されておらず、統計的に有意ではない。
• $B^0 \to J/\psi K^0$の測定を組み合わせると誤差は約10%まで減少するが、時間に依存する解析が使われない限り、その効果は限定的である。
• 将来のLHC（ATLAS、CMS、LHCb）での測定は、$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$についてミリレベル未満の精度に達すると予想され、標準模型の期待値を直接測定可能になる可能性がある。