[論文レビュー] Radiative Non-Leptonic Kaon Decays

Giancarlo D’Ambrosio, Gerhard F. Ecker+2 more|ArXiv.org|Nov 30, 1994

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 40

ひとこと要約

この論文は、標準模型とチャイral摂動論（CHPT）を用いた放射的非レプトン性中間子崩壊の包括的な理論的分析を提示している。崩壊振幅、分岐比、CP対称性の破れに焦点を当て、DAΦNEにおける観測可能性を予測している。特に、$K_{S} \to \pi^0 e^+e^-$ などのレア崩壊はカウンターテルム結合定数に極めて敏感であり、新物理の検証に役立つ。DAΦNEは複数のチャンネルを検出可能であり、CP対称性の破れおよびフォーム因子に関する制限を改善する見込みである。

ABSTRACT

We investigate to what extent DA$Φ$NE will be able to test the Standard Model in the confinement regime with radiative kaon decays. We concentrate on processes which can be detected at DA$Φ$NE and we review briefly those decays where only upper limits can be expected. The Standard Model predictions for these decays are analyzed in the framework of chiral perturbation theory.

研究の動機と目的

• DAΦNEが低エネルギー領域における標準模型のプローブとして、放射的非レプトン性中間子崩壊にどの程度感度を持つのかを評価すること。
• チャイナル摂動論と低エネルギー定理を用いて、光子、レプトン対、およびパイオンを含むレア中間子崩壊の信頼性の高い理論的予測を提供すること。
• 新物理やCP対称性の破れに敏感な崩壊チャンネルにおいて、DAΦNEがより良い制限を設定するか、初の観測を達成できるかを特定すること。
• カウンターテルム結合定数とループ振幅が、特に $K_{S} \to \pi^0 e^+e^-$ および $K^+ \to \pi^+ e^+e^-$ における崩壊率に与える影響を評価すること。
• $K_{L} \to \pi^+\pi^- \ell^+\ell^-$ および関連チャンネルにおける間接的CP対称性の破れの測定可能性を検討すること。

提案手法

• 非レプトン性中間子崩壊の低エネルギー振幅を計算するために、チャイナル摂動論（CHPT）を適用し、1ループおよびカウンターテルム寄与を含む。
• チャイナル異常および低エネルギー定理を用いて、非レプトン性弱い振幅の構造を制約する。
• 2光子、1光子（内部ブレムストラール放出および直接放出）、およびレプトン対最終状態の行列要素および崩壊率を計算する。
• $K \to \pi \ell^+\ell^-$ および $K \to \pi \gamma \ell^+\ell^-$ 崩壊における1ループ寄与を記述するため、ループ関数 $F(z)$, $G(z)$, $\varphi(z)$, および $H(z)$ を組み込む。
• 間接的および直接的CP対称性の破れに寄与を分離し、$K_{L} \to \pi^+\pi^- \ell^+\ell^-$ における干渉効果を分析する。
• 光度の仮定（$5 \times 10^{32}~\text{s}^{-1}\text{cm}^{-2}$）と理論的予測を用いて、DAΦNEにおける期待イベント数を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAΦNEは $K_{S} \to \pi^0 e^+e^-$ などのレア放射的非レプトン性中間子崩壊を検出可能であり、カウンターテルム結合定数にどの程度感度を持つのか。
• RQ2 $K_{L} \to \pi^+\pi^- e^+e^-$ の期待分岐比は何か。DAΦNEはこのチャンネルにおける間接的CP対称性の破れを測定可能か。
• RQ3 ループおよびカウンターテルム寄与は $K^+ \to \pi^+ e^+e^-$ の崩壊率にどのように影響するか。DAΦNEは異なるモデル予測を区別できるか。
• RQ4 DAΦNEは $K \to \gamma \ell^+\ell^-$ 崩壊におけるフォーム因子およびレプトンスぺクトルの測定にどの程度改善をもたらすか。
• RQ5 どの放射的中間子崩壊が新物理に最も敏感であり、DAΦNEはそのような効果に対して意味のある制限を設定できるか。

主な発見

• DAΦNEは分岐比 $3.4 \times 10^{-8}$ の $K_{S} \to \pi^0 e^+e^-$ を検出可能であり、カウンターテルム結合定数に極めて敏感で、間接的CP対称性の破れの探査に有用である。
• $K^+ \to \pi^+ e^+e^-$ は分岐比 $2.61 \times 10^{-4}$ と予測され、DAΦNEはそのスペクトルおよびフォーム因子を統計的に改善して測定可能である。
• $K_{L} \to \pi^+\pi^- e^+e^-$ については分岐比が $1.5 \times 10^{-5}$ と推定され、DAΦNEは $e^+e^-$ および $\pi^+\pi^-$ 平面における角度非対称性を用いて、間接的CP対称性の破れ寄与を測定可能である。
• $K_{L} \to \mu^+\mu^-$ は分岐比 $7 \times 10^{-9}$ と予測され、DAΦNEはその測定を改善し、より厳しい制限を設定できる見込みである。
• $E^*_\gamma > 50~\text{MeV}$ を満たす $K_{S} \to \pi^+\pi^- \gamma$ チャンネルでは、年間約 $1.7 \times 10^3$ イベントが得られ、直接放出に関するモデル予測の区別が可能である。
• 分岐比が非常に小さい（$\sim 10^{-9}$）ため、DAΦNEは $K_{S} \to \pi^0 e^+e^-$ および $K_{L} \to \pi^0 e^+e^-$ については主に上限を設定する見込みであるが、カウンターテルムモデルの検証に不可欠なデータを提供する。