[論文レビュー] The CKM Matrix and the Unitarity Triangle

M. Battaglia, Andrzej J. Buras+38 more|ArXiv.org|Apr 14, 2003

Advanced Numerical Analysis Techniques被引用数 116

ひとこと要約

本稿は、K、D、およびB中間子の崩壊から得られる実験的データを用いて、Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (CKM) マトリクスとユニタリティトライアングル (UT) の包括的分析を提示する。木構造の崩壊、混合過程、およびグローバルフィットを通じてCKMパラメータの制約を評価するとともに、$K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$ や $K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu}$ といったレアなK中間子崩壊を用いた新しい物理の探査に向けた、今後の実験（CKM、E391a、KOPIO）の影響を評価する。予想される感度は、それぞれ $3 \times 10^{-14}$ および $7.5 \times 10^{-13}$ に達する。

ABSTRACT

This report contains the results of the Workshop on the CKM Unitarity Triangle, held at CERN on 13-16 February 2002 to study the determination of the CKM matrix from the available data of K, D, and B physics. This is a coherent document with chapters covering the determination of CKM elements from tree level decays and K and B meson mixing and the global fits of the unitarity triangle parameters. The impact of future measurements is also discussed.

研究の動機と目的

• 木構造の崩壊、KおよびB中間子の混合、およびユニタリティトライアングルパラメータのグローバルフィットを通じてCKMマトリクス要素を決定すること。
• 将来の測定がユニタリティトライアングルの制約に与える影響を評価し、標準模型の検証を行うこと。
• 近い将来の実験（CKM、E391a、KOPIO）が $K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$ および $K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu}$ のようなレアなK中間子崩壊に与える感受性を評価すること。
• アイソスピン関係と既存のデータを用いて、$\Gamma(K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu})$ に対するモデルに依存しない上限を提示すること。
• $K \to \pi \nu\bar{\nu}$ 崩壊からの制約と、$B_d$ および $B_s$ 混合、$a_{\rm CP}(B \to J/\Psi K_S)$ からの制約を比較し、CKMメカニズムの検証を行うこと。

提案手法

• K、D、およびB中間子の崩壊からの実験的データを用い、木構造の崩壊および混合過程を通じてCKMマトリクス要素を決定する。
• CKMフィッター・プログラム内でのベイズ統計を用いたグローバルフィットにより、ユニタリティトライアングルパラメータを推定する。
• アイソスピン対称性を用いて、$\Gamma(K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu})$ 測定値から $\Gamma(K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu})$ に対するモデルに依存しない上限を導出する。
• CKM実験では、$K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$ の背景を低減するために、光子バイトとリングイメージング・チェレノフキー検出器を用いる。
• KEKのE391aでは、2段階の手法を採用する。最初の段階では12 GeV/cのビームを用い、将来的には50 GeV/cのJHFビームを用いて感度を向上させる。
• KOPIOでは、飛行時間測定と高精度な電磁エネルギー計測を用い、$K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu}$ 崩壊の運動量を完全に再構築し、データ駆動型のバイト技術により背景を抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K、D、およびB物理学のデータから、ユニタリティトライアングルパラメータに現在与えられている制約は何か？
• RQ2 CKM、E391a、KOPIOといった将来の実験は、$K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$ および $K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu}$ のようなレアなK中間子崩壊の感受性をどの程度向上させるか？
• RQ3 $K \to \pi \nu\bar{\nu}$ 崩壊の測定された分岐比は、標準模型を超える新しい物理をどの程度制約することができるか？
• RQ4 $a_{\rm CP}(B \to J/\Psi K_S)$ および $\Delta M_{B_d}/\Delta M_{B_s}$ の測定値と、$K \to \pi \nu\bar{\nu}$ 崩壊率の測定値を比較すると、CKMメカニズムの検証においてどのような一致が得られるか？
• RQ5 アイソスピン対称性と既存の $K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$ データに基づいて、$\Gamma(K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu})$ に対するモデルに依存しない上限は何か？

主な発見

• アイソスピン関係とBNL-E787の $K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$ 測定結果を用いて、$\Gamma(K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu})$ の上限は90%信頼水準で $1.7 \times 10^{-9}$ に制限される。
• CKM実験は、この十年の後半にデータ取得を予定しており、飛行中崩壊と高度な背景抑制技術を用いて $K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$ への感度を向上させることを目的としている。
• E391aの第一段階では、${\cal B}(K^0_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu})$ の上限が、標準模型の予測値に1桁のオーダーで近づくと予想される。
• E391aの第二段階では、単一イベント感度が $3 \times 10^{-14}$ に達し、JHFビームを用いることで約1000個のSMイベントを観測可能となる。
• KOPIOは、単一イベント感度を $7.5 \times 10^{-13}$ に達するよう設計されており、信号対背景比が2の条件下で40個のSMイベントを観測可能となり、$\bar{\eta}$ または ${\cal J}$ について約10%の精度で測定可能となる。
• $K \to \pi \nu\bar{\nu}$ 崩壊率と $B_d$ および $B_s$ 混合、$a_{\rm CP}(B \to J/\Psi K_S)$ 測定値の比較から、標準模型と強い一貫性が得られ、将来の実験によりこの一貫性が高精度で検証される見込みである。