[論文レビュー] Probing CP Violation in $τ^- o ν(Kπ/K2π/ 3K/ K3π)^- $ Decays

I. I. Bigi|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、標準模型（SM）を超える新しい力学（ND）を探索するため、$τ^{-}→\nu(K\pi/K2\pi/3K/K3\pi)^{-}$崩壊におけるCP対称性の破れを調査する。特に、$K\pi$、$K2\pi$、$3K$、$K3\pi$などの多体最終状態におけるCP非対称性の個別測定が、グローバル非対称性が抑制されるため、NDを検出・特徴付けるために不可欠であると強調している。主な結果として、将来のSuperBおよびSuper-Belle実験が、ダリーツ分布とT-oddモーメントを用いることで、SM寄与と分離可能な高感度でこれらの非対称性を測定可能であることが示された。

ABSTRACT

It had been suggested to probe CP violation in τ ightarrow νKπ decays with K0 -K ^{-}0 oscillation to produce ACP(τ- ightarrow νKSπ-) = (0.36\pm0.01)%. BaBar has found ACP(τ- ightarrow νKSπ-[\geq π0]) = (-0.36 \pm 0.23 \pm 0.11)% - i.e., 2.8 sigma difference with SM prediction. It is discussed, why one needs to probe ACP(τ ightarrow νKπ), ACP(τ ightarrow νK2π) and ACP(τ ightarrow νK3π) separately to establish the existence of New Dynamics and its features. It should be possible at SuperB & Super-Belle experiments.

研究の動機と目的

• CP非対称性が、標準模型（SM）を超える新しい力学（ND）を探索する有効な手段であることを確立すること。
• グローバルCP非対称性が顕著に抑制されることを示し、NDを検出するには個々の最終状態の詳細な分析が不可欠であることを示すこと。
• ダリーツ図における共鳴構造と干渉効果を調べることで、ND寄与を分離する重要性を特定すること。
• T-oddモーメントとビン化／非ビン化の多変量解析を用いることで、多ハドロン$τ$崩壊におけるCP対称性の破れに対する感度を向上させることを提唱すること。
• $K\pi$、$K2\pi$、$3K$、$K3\pi$最終状態における$τ^{-}$と$τ^{+}$の崩壊断面積および非対称性の比較を通じて、NDの特徴を特定すること。

提案手法

• $τ^{-}→\nu[K\pi]^{-}$、$τ^{-}→\nu[K2\pi]^{-}$、$τ^{-}→\nu[3K]^{-}$、$τ^{-}→\nu[K3\pi]^{-}$の崩壊断面積とCP非対称性を、それらの$τ^{+}$対応と比較し、ND由来のCPT奇性効果を検出すること。
• ダリーツ図分布を用いて、局所的CP非対称性と共鳴干渉（特に$K^{*}(892)$、$K_{1}(1270)$、$K_{1}(1400)$、$K^{*}(1410)$）を調査すること。
• $K2\pi$および$K3\pi$最終状態におけるT-odd観測量、たとえば$\langle\vec{p}_{K}\cdot(\vec{p}_{\pi_{1}}\times\vec{p}_{\pi_{2}})\rangle$を測定し、ND由来の直接CP対称性の破れを検出すること。
• 検出効率の正負粒子間のクロスチェックを可能にするために、ダリーツ図を分割する「ミランダ手順」を適用すること。
• ハドロン質量分布（$M_{K\pi}$、$M_{K2\pi}$、$M_{3K}$、$M_{K3\pi}$）を分析し、ND位相および結合定数に敏感な運動量相関を抽出すること。
• 非ビン化多変量解析とビン化解析の手法を用いて、CP非対称性に対する感度を向上させ、異なる共鳴および非共鳴振幅からの寄与を分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CP非対称性は、$τ^{-}→\nu[K\pi]^{-}$、$τ^{-}→\nu[K2\pi]^{-}$、$τ^{-}→\nu[3K]^{-}$、$τ^{-}→\nu[K3\pi]^{-}$崩壊において、標準模型を超える新しい力学（ND）を明らかにできるか？
• RQ2 $τ^{-}→\nu[K_{S}\pi^{-}]$におけるグローバルCP非対称性が、多体最終状態の個別非対称性に比べ顕著に小さいのはなぜか？
• RQ3 ダリーツ図におけるT-oddモーメントと共鳴干渉は、ND由来のCP対称性の破れに対する感度をどのように向上させるか？
• RQ4 ベクトルおよび軸性ベクトル交換（例：$W_{R}$、荷電ヒッグス）は、$τ$崩壊における測定可能なCP非対称性を生成する上で果たす役割は何か？
• RQ5 「ミランダ手順」と多変量解析は、異なるハドロン最終状態におけるCP非対称性測定の系統的不確実性を低減できるか？

主な発見

• BaBar実験は、$A_{\rm CP}(\tau^{-}\to\nu K_{S}\pi^{-}[\geq\pi^{0}])=(-0.36\pm 0.23\pm 0.11)%$を観測し、SM予測の$(0.36\pm 0.01)%$から2.8シグマのずれを示した。
• $τ^{-}\to\nu[K\pi]^{-}$におけるCP非対称性は、$K^{*}(892)$および$K_{0}^{*}(1430)$共鳴状態が支配的であり、ベクトルおよびスカラー形式因子からの寄与も含まれる。
• $τ^{-}\to\nu[K2\pi]^{-}$および$τ^{-}\to\nu[3K]^{-}$では、$\vec{p}_{K}\cdot(\vec{p}_{\pi_{1}}\times\vec{p}_{\pi_{2}})$を含むT-oddモーメントが、ND由来の直接CP対称性の破れを検出する感度の高いプローブである。
• $K^{*}(892)\pi$、$K_{1}(1270)$、$K_{1}(1400)$、$K^{*}(1410)$共鳴状態は、多体崩壊における干渉効果とND特徴を調べる上で中心的な役割を果たす。
• SuperBおよびSuper-Belle実験は、十分な発光度とエネルギー分解能を備えており、$K\pi$、$K2\pi$、$3K$、$K3\pi$最終状態におけるCP非対称性を高精度で測定可能と予想される。
• ビン化および非ビン化の多変量解析の使用は、系統的不確実性を制御し、ダリーツ図分布から局所的CP非対称性を抽出する上で不可欠である。