[論文レビュー] Resonance enhancement of Charm CP

Amarjit Soni|arXiv (Cornell University)|May 2, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、$f_0(1710)$ スカラー共鳴状態（約1723 MeV）が、ペンギン-ツリー干渉を通じて同時に強い（CP保存）および弱い（CP反転）位相を提供することにより、charm 崩壊における直接CP対称性の破れを強化すると提案する。このメカニズムは、LHCbが観測した $\Delta A_{CP} = (-15.4 \pm 2.9) \times 10^{-4}$ を共鳴状態媒介のペンギン振幅によって説明でき、$\eta(1760)$ が多粒子最終状態や $D^0 \to \gamma\rho, \gamma\phi$ のような放射性崩壊に影響を与える可能性がある。これらの過程は、標準模型（SM）の高精度テストに適している。

ABSTRACT

It is suggested that a nearby $0^{++}$ resonance, $f_0$(1710) of mass $m_f=1723 MeV$ and width $Γ=139$ MeV is playing a significant role in efficiently providing the strong (CP-conserving) and weak (CP-odd) phase simultaneously in the recently observed direct CP asymmetry $ΔA_{CP}$ by the LHCb collaboration. The direct CP arises by the well known penguin-tree interference wherein the virtual b-quark in the c-u penguin is the source of the Kobayashi-Maskawa CP-odd phase, $γ$, in the SM. Loop (penguin) corrections generate left-right operators enhancing coupling to the $0^{++}$ scalar resonance. The scalar resonance is likely rich in gluonic content perhaps leading to a better understanding of large breaking of flavor SU(3) that has been known for a long-time. Approximate calculations give a rough understanding of the observed size of the CP asymmetry. The mechanism leads to several interesting implications which can be experimentally studied and tested. Moreover, in an analogous fashion to $f_0$, 4-quark operators also generate $P imes P$, P being a pseudo-scalar bilinear, which may be dominated by the nearby $η(1760)$ of width about 250 MeV that can influence final states such as 4 $π$'s, $η^{\prime}(η) + π^+ + π^-$ etc which could exhibit CP violating triple correlation or energy asymmetries. We also briefly discuss CP violation in radiative charm decays and suggest that simple final states $γρ$ and $γϕ$ are best suited for sizeable asymmetries as well as providing precise tests of the SM.

研究の動機と目的

• LHCbが最近観測した、charm 崩壊における直接CP非対称性 $\Delta A_{CP} = (-15.4 \pm 2.9) \times 10^{-4}$ を標準模型内で説明すること。
• 特に $f_0(1710)$ および $\eta(1760)$ のような近接共鳴状態が、CP保存およびCP反転位相を媒介する役割を特定すること。
• 放射性charm 崩壊、たとえば $D^0 \to \gamma\rho$ および $D^0 \to \gamma\phi$ における測定可能なCP非対称性を予測し、高精度なSMテストに役立てる。
• 共鳴状態の増幅効果が、charm 崩壊における長年のフラバーSU(3)対称性の破れおよび非摂動的QCDダイナミクスの問題を解消できるかを示唆すること。

提案手法

• charm 崩壊におけるペンギン-ツリー干渉を用い、c-u ペンギンで生成される仮想b quark がKobayashi-MaskawaのCP反転位相 $\gamma \approx 73.5^\circ$ を提供する。
• $f_0(1710)$ 共鳴状態を、最終状態相互作用による強い（CP保存）位相の源としてモデル化し、位相シフト $\delta_{st}$ を捉えるために幅 $\Gamma = 139$ MeV を用いる。
• QCDペンギン演算子 $Q_5, Q_6$ に対してFierz再結合を適用し、$0^{++}$ および $0^{-+}$ 共鳴状態に結合するスカラーおよびピエルスケラール型現在を生成する。
• $\eta(1760)$ が幅 $\sim 250$ MeV で、$4\pi$ や $\eta' + \pi^+\pi^-$ などの多粒子最終状態を支配すると予測され、CP対称性の破れを示す三重相関が現れる可能性がある。
• 放射性崩壊 $D^0 \to \gamma\rho$, $D^0 \to \gamma\phi$ は、弱い消失支配とCPT反転符号構造のおかげで、CP非対称性の観測に最も適したチャンネルであると分析する。
• lattice QCD および物性論的手法を用いて、$\alpha_{\gamma\rho}$ および $\alpha_{\gamma\phi}$ の正確なSM予測を計算することを提案し、$\Delta A^\gamma_{CP} = \alpha_{\gamma\phi} - \alpha_{\gamma\rho}$ を重要な観測量とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCbが観測した、charm 崩壊における直接CP非対称性 $\Delta A_{CP} = (-15.4 \pm 2.9) \times 10^{-4}$ は、標準模型内でどのように説明できるか？
• RQ2 近接する共鳴状態、特に $f_0(1710)$ および $\eta(1760)$ は、charm 崩壊におけるCP保存およびCP反転位相を媒介する役割を果たすか？
• RQ3 放射性charm 崩壊、たとえば $D^0 \to \gamma\rho$ および $D^0 \to \gamma\phi$ は、高精度なSMテストに適した大きさのCP非対称性を示すか？
• RQ4 共鳴状態の増幅効果、特に $f_0(1710)$ および $\eta(1760)$ を通じたものにより、charm 崩壊における長年の大きなフラバーSU(3)対称性の破れの問題はどのように解決されるか？
• RQ5 これらの共鳴状態は、多粒子最終状態におけるエネルギー非対称性および三重相関観測量にどのような影響を及えるか？

主な発見

• $f_0(1710)$ 共鳴状態（質量 $m_f = 1723$ MeV、幅 $\Gamma = 139$ MeV）が、最終状態相互作用を通じて強い（CP保存）位相を提供し、観測された $\Delta A_{CP}$ を実現するために不可欠である。
• 仮想b quark を含むペンギン振幅が、Kobayashi-MaskawaのCP反転位相 $\gamma \approx 73.5^\circ$ を生成し、ツリー振幅と干渉することで直接CP対称性の破れを生じる。
• $\eta(1760)$ 共鳴状態（幅 $\sim 250$ MeV）は、$4\pi$ や $\eta' + \pi^+\pi^-$ などの多粒子最終状態を支配すると予測され、CP対称性の破れを示す三重相関が現れる可能性がある。
• 放射性崩壊 $D^0 \to \gamma\rho$ および $D^0 \to \gamma\phi$ は、顕著なCP非対称性を示すと予測され、$\alpha_{\gamma\rho}$ は $\alpha_{\gamma\phi}$ よりも大きくなると予想される。これは、小さな分岐比と $\bar{u}u \to \bar{s}s$ の抑制による。
• $\Delta A^\gamma_{CP} = \alpha_{\gamma\phi} - \alpha_{\gamma\rho}$ は測定可能であり、SMのテストに適した明確でCPT保存的な観測量である。
• lattice QCD および物性論的手法は、$\alpha_{\gamma\rho}$ および $\alpha_{\gamma\phi}$ の正確なSM予測を計算するための実用的なツールであると特定され、ニューエル物理の高精度テストが可能になる。