[논문 리뷰] Branching-ratio and CP violation in semi-inclusive flavor-changing top decays

L. T. Handoko|arXiv (Cornell University)|1998. 03. 06.

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한 줄 요약

이 논문은 표준모형 내에서 중간 상태 qk¯qk를 통한 장거리 효과에 의한 CP 위반을 중심으로 반열성자 붕괴 t → qi Xjj (qi = u, c; Xjj = Υ, φ와 같은 벡터 메손)를 연구한다. 인과적 전자기적 재결합과 인과적 하드론화 모형을 사용하여, 표준모형에서 CP 비대칭은 매우 작으며, t → u Υ의 경우 d¯d 또는 s¯s 중간 상태를 통해 약 1% 수준에 그친다. 이는 표준모형을 초월한 새로운 물리학, 특히 초대칭 모형에서의 탐지에 민감한 수단이 된다.

ABSTRACT

Semi-inclusive top decays, $t o q_i \v$, are examined in the framework of the standard model, with $q_i = u { m or} c$, $\v$ : vector meson formed by $q_j \qb_j$ ($q_j = d, s, b$). By using a simple model of hadronization, that is $ 0 \l| \qb_j \gamma^\mu q_j | \v = \mv \fv \evj^\mu$, the total branching ratio is expected to be $\br( ivj) < ({\l| \vij^\ast \vtj |}/{\l| \vtb |})^2 imes O({10}^{-3})$ depends on the size of the coupling constant $\fv$. On the other hand, the CP asymmetry should be induced only by the long-distance effects of intermediate state $q_k \qb_k$ ($q_k = d, s, b$) that subsequent scatters into the vector meson. The analytical results including the continuum contributions are given with keeping all masses. However, it yields the CP asymmetry to be small, i.e. $\acp ( ivj) < {\im [(\vij^\ast \vtj)^\ast (\vik^\ast \vtk)]}/{\l| \vij^\ast \vtj |^2} imes O({10}^{-2})$ for an identified $q_k \qb_k$ intermediate state, and suppressed more again by a factor of $\sim {({m_b}^2 - {m_s}^2)}/{\mv^2}$ for summing up all of them. Particularly, $\acp (t o u \Upsilon) \simeq \pm 1%$, induced by the intermediate state $d\bar{d}$ or $s\bar{s}$.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 내에서 반포괄적 탑 붕괴 t → qi Xjj의 분해비율과 CP 위반을 연구하기 위해.
• 향후 LHC 및 업그레이드된 테바트론과 같은 탑 팩토리에서 CP 비대칭을 관측할 수 있는지 평가하기 위해.
• 루프 수준의 증폭 없이도 CP 위반을 유도할 수 있는 주요 장거리 기여를 규명하기 위해.
• GIM 유사 메커니즘에 의해 모든 중간 상태 qk¯qk에 대한 합산 시 CP 비대칭이 어떻게 억제되는지 정량화하기 위해.
• 특히 초대칭 모형에서의 새로운 물리학에 대한 청소년 수단으로서 이러한 붕괴를 확립하기 위해.

제안 방법

• 인과적 하드론화 모형을 사용: ⟨0|¯qjγμqj|Xjj⟩ = mXjj fXjj ǫXjjμ.
• CKM 행렬 요소 Vij 및 Vtb를 포함한 전하-전류 W-교환 다이어그램을 사용하여 고차원 진동 상태 M(0)(t → qi Xjj)를 계산한다.
• 장거리 기여는 1-포톤 매개 재결합을 통해 처리: t → qi (qk¯qk) → Xjj, 중간 상태 qk¯qk가 진동 상태에 있다.
• 나이만-합성 간섭을 통한 CP 비대칭 ACP = ∆/Σ 계산.
• CKM 행렬의 유니타리성을 적용하여 모든 중간 상태(d¯d, s¯s, b¯b)에 대한 합산을 수행하여, mb² − ms² / mXjj² 비율로 억제됨.
• 월프스타인 매개변수화를 사용하여 CP 위반 위상은 ρ, η, λ로 표현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 내에서 반포괄적 탑 붕괴 t → qi Xjj의 예상 분해비율은 얼마인가?
• RQ2 루프 수준 기여 없이도 t → qi Xjj 붕괴에서 CP 위반이 발생할 수 있는가? 만약 가능하다면 어떤 메커니즘을 통해인가?
• RQ3 중간 상태 qk¯qk의 특정 식별 여부에 따라 CP 비대칭은 어떻게 달라지는가?
• RQ4 특정 최종 상태인 t → u Υ의 경우 CP 비대칭의 정량적 크기는 얼마인가?
• RQ5 이 붕괴들은 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 어떻게 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• t → qi Xjj의 분해비율은 B(t → qi Xjj) ≲ (|V∗ij Vtj| / |Vtb|)² × O(10⁻³)로 추정되며, fXjj에 따라 달라진다.
• CP 비대칭은 오직 중간 상태 qk¯qk를 통한 장거리 효과, 즉 1-포톤 교환에 의해서만 발생하며, GIM 억제로 인해 루프 기여로는 발생하지 않는다.
• 특정 중간 상태를 식별할 경우, ACP(t → qi Xjj) ≲ |Im[(V∗ij Vtj)∗(V∗ik Vtk)]| / |V∗ij Vtj|² × O(10⁻²)이며, t → u Υ의 경우 최대 ±1%에 이른다 (d¯d 또는 s¯s 중간 상태를 통함).
• 모든 중간 상태에 대해 합산할 경우, CP 비대칭은 약 (mb² − ms²)/mXjj² 비율로 억제되어 O(10⁻⁵) 수준으로 감소한다.
• 최대 CP 비대칭은 t → u Υ에서 발생하며, (ρ, η) = (0.3, 0.34)일 때 ACP ≃ ±1%이며, 이는 Kibd = 1.65 및 Kibs = -1.65에 해당한다.
• 이 붕괴들은 새로운 물리학에 대한 탐지 수단으로 유망하며, 특히 초대칭 모형에서 스칼라 페르미온 기여로 인해 CP 비대칭이 크게 증폭될 수 있다.