[論文レビュー] Search For New Mechanism of CP Violation through Tau Decay and Semilpetonic Decay of Hadrons

Tsai, Yung Su|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 1996

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、τ、パイオン、カイオン、D、Bおよびトップクォークの半レプトン崩壊におけるレプトンのスピン極化を分析することにより、仮想のXボソンを介した新しいCP対称性の破れのモデルに依存しない探索を提案する。CP対称性の破れは、標準模型のWボソン交換と複素結合定数を持つXスカラー boson交換との干渉から生じ、極化非対称性が主要な観測量となる。主な貢献は、クォークおよびレプトンへのXボソン結合定数を抽出するための統一的フレームワーク（12の崩壊過程を含む）を提供することであり、これはチャージドヒッグスボソンを前提としない。

ABSTRACT

If CP is violated in any decay process involving leptons it will signify the existense of a new force (called the X boson) responsible for CP violation that may be the key to understanding matter-antimatter asymmetry in the universe. We discuss the signatures of CP violation in (1) the decay of tau lepton, and (2) the semileptonic decay of $\pi$, K, D, B and t particles by measuring the polarization of the charged lepton in the decay. We discuss how the coupling constants and their phases of the coupling of the X boson to 9 quark vertices and 3 lepton vertices can be obtained through 12 decay processes.

研究の動機と目的

• レプトンを含む半レプトン崩壊におけるCP対称性の破れを包括的かつモデルに依存しないフレームワークでテストすること。
• レプトンのスピン極化測定によってCP対称性の破れが観測可能な12の具体的な崩壊過程を同定すること。
• Xボソンがチャージドヒッグスであると仮定せずに、すべての12のクォークおよびレプトンの頂点へのXボソン結合定数を実験的に決定可能にする。
• 複素位相の起源を仮定せず、観測可能な極化非対称性に焦点を当てることで理論的バイアスを回避すること。
• 物質と反物質の非対称性を引き起こす標準模型を超える新しい物理の検出への道筋を確立すること。

提案手法

• 崩壊粒子の静止系におけるレプトンのスピン極化を、CP対称性の破れの探査に用いる。
• 標準模型のWボソン交換図（AW）と新しいXスカラー boson交換図（AX）との干渉項を構築し、AXは複素結合定数を持つものとする。
• T-奇およびCP-奇な観測量（例：(p3 × p4)·W および (pK± · Wτ±)）に注目し、崩壊運動学において分析する。
• 極化非対称性C±を用いてCP対称性の破れを検出する。C± ≠ 0 または C+ ≠ −C− がXボソン結合定数の虚数部が非ゼロであることを示す。
• プロパゲーター（例：ρ共鳴子のブライト・ウィグナー型）を用いた共変場理論を適用し、非共変なヘリシティ形式や密度行列分解を避ける。
• Wボソン交換との干渉によってのみ、スピン0のXボソンが観測可能なCP対称性の破れを生じられることを示し、スピン1のXボソンは干渉がなく、観測不能であることを排除する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もし新しいXボソンが相互作用を媒介するならば、τ → K± + π0 + ν などのレプトンを含む半レプトン崩壊でCP対称性の破れが観測可能か？
• RQ2 これらの崩壊でCP対称性の破れを検出可能な、具体的な力学的観測量（特にレプトンの極化非対称性）は何か？
• RQ3 なぜスピン0のXボソンが観測可能なCP対称性の破れを生じる必要があり、スピン1のXボソンではなぜ測定可能な効果が得られないのか？
• RQ4 実験的測定による極化非対称性から、クォークおよびレプトンへのXボソンの複素結合定数をどのように抽出できるか？
• RQ5 Xボソンは、チャージドヒッグス仮説に依存せず、宇宙における物質-反物質非対称性の媒介者として妥当な候補となるか？

主な発見

• レプトンを含む半レプトン崩壊におけるCP対称性の破れは、複素結合定数を持つ新しいスピン0のXボソンが標準模型のWボソン交換図と干渉する場合にのみ観測可能である。
• 観測可能なCP対称性の破れ信号は、s波（X交換）とp波（W交換）の振幅の干渉に起因し、特にτ → K± + π0 + ν崩壊で顕著に現れる。
• 最終状態相互作用のない崩壊では、唯一の観測可能なCP-奇な信号はT-奇の項 (p3 × p4)·W であり、ここでWはレプトンの極化を表す。
• ネルソンらの手法（2段階のスピン相関）は回転不変性の破れと非共変な取り扱いにより無効であり、プロパゲーターを用いた1段階の共変アプローチが必須である。
• アイソスピン保存則により、π±π0最終状態におけるX交換によるI=2状態は禁止され、τ → 3π + νにおけるCP対称性の破れは、電磁的または質量差によるアイソスピンの破れがない限り微小に制限される。
• Xボソン結合定数の虚数部は極化非対称性C±から抽出可能であり、C+ ≠ −C− がCP対称性の破れを示し、Im(XijXkν) が測定可能である。