[論文レビュー] Neutral meson tests of time-reversal symmetry invariance

A. J. Bevan, G. Inguglia+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、e⁺e⁻衝突機で生成されるエンタングルドBおよびDメソン対を用いて、弱崩壊における時間反転（T）対称性不変性をテストする包括的なプログラムを提案する。b→u,d,s,cおよびc→d,sクォーク遷移のための新しいCPフィルターベースを導入することで、既存のCP非対称性研究を補完する高精度なT破れ測定が可能となり、利用可能なすべてのクォーク遷移において小林・益川メカニズムを探査できる。

ABSTRACT

The laws of quantum physics can be studied under the mathematical operation T that inverts the direction of time. Strong and electromagnetic forces are known to be invariant under temporal inversion, however the weak force is not. The BaBar experiment recently exploited the quantum-correlated production of pairs of B0 mesons to show that T is a broken symmetry. Here we show that it is possible to perform a wide range of tests of quark flavour changing processes under T in order to validate the Standard Model of particle physics covering b to u, d, s, and c transitions as well as c to u, d and s transitions using entangled B and D pairs created in Y(4S) and psi(3770) decays. We also note that pseudoscalar decays to two spin one particle final states provide an additional set of CP filter bases to use for T violation tests.

研究の動機と目的

• BaBarが観測した既存のb→c遷移にとどまらない、T対称性テストの実験的プログラムを拡張すること。
• 標準模型内でのb→u, d, sおよびc→d, sクォーク遷移における系統的なT破れ測定の不足を解消すること。
• エンタングルドメソンペアと直交CPフィルターベースを用いて、T、CP、CPT対称性を統一的にテストするフレームワークを提供すること。
• T破れ観測量を用いて、小林・益川位相およびユニタリティ三角形の角度に対する高精度な制約を可能にすること。
• Bおよびτ-charm工場での将来の高統計実験に備えて、測定可能なT非対称性とその感度を提示すること。

提案手法

• ϒ(4S)およびψ(3770)崩壊から生成される量子相関のあるB⁰B̄⁰およびD⁰D̄⁰ペアを用い、T共役遷移にアクセスする。
• 直交CPフィルターベース（例：フレーバー特異的崩壊（例えば、半レプトン的B⁰→Xℓν）およびK⁰S/L、π⁰ダリツィング、またはベクトルメソン最終状態）を用いて、初期状態および最終状態をタグする。
• T非対称性観測量AT = [Γ(|1⟩→|2⟩) − Γ(|2⟩→|1⟩)] / [Γ(|1⟩→|2⟩) + Γ(|2⟩→|1⟩)] を構築し、T破れを検出する。
• B⁰およびD⁰系において、時間依存および時間積分非対称性ACP,TおよびACP,CPTを測定し、CP非対称性とは独立してT破れを探査する。
• D⁰→K⁰SK⁰SK⁰LおよびそのT共役モードを用いて、長距離効果の低い状態でc→dおよびc→s遷移におけるT破れをアクセスする。
• LHCおよびBファクトリーにおけるB⁰sおよびD⁰系へこの手法を拡張し、CKM行列のクロスチェックおよび過剰制約を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エンタングルドBメソンペアを用いて、b→u, d, s, cクォーク遷移におけるT対称性破れが測定可能か？
• RQ2 BおよびD崩壊におけるT破れ振幅を分離するために、新しいCPフィルターベースをどのように構築できるか？
• RQ3 将来のe⁺e⁻およびLHC実験におけるT破れ測定の感度は、charmおよびbeautyセクターでどの程度期待できるか？
• RQ4 D⁰崩壊におけるT破れ非対称性とB⁰崩壊におけるものとの比較は、小林・益川メカニズムに何を明らかにするか？
• RQ5 T、CP、CPT非対称性の全セットを測定することで、小林・益川位相およびユニタリティ三角形を過剰制約できるか？

主な発見

• 本論文は、K⁰S/L、π⁰ダリツィング、およびベクトルメソン最終状態などの新しい直交CPフィルターベースを同定し、BおよびD崩壊におけるクリアなT破れ測定を可能にする。
• T破れ効果がb→dおよびb→s遷移において、b→c遷移で観測されたものと同程度の大きさであると予測され、両者ともユニタリティ三角形の角度βに敏感である。
• b→u遷移におけるT破れは、角度αに対応するためより小さく、測定が困難であるが、高統計データを用いれば依然として測定可能である。
• D⁰→K⁰SK⁰SK⁰LおよびそのT共役モードの測定は、長距離効果の低い状態でc→dおよびc→s遷移におけるT破れを探査する実用的な道筋を提供する。
• 提案されたプログラムにより、T、CP、CPT対称性観測量を用いた、CKMメカニズムの系統的・マルチチャネルテストが可能となり、標準模型が過剰制約される。
• Bおよびτ-charm工場における将来の実験の感度が推定され、高統計データがこれらのT破れ測定に必要な精度を達成するために不可欠であることが示された。