[논문 리뷰] CP violation induced by the interference of scalar and vector resonances in three-body decays of bottom mesons

Zhen-Hua Zhang, Xin‐Heng Guo외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 스칼라(f₀(500)) 및 벡터(ρ⁰(770)) 고리 간 간섭을 통해 바텀 메손의 3체 붕괴에서 큰 국소적 CP 위반을 유도하는 메커니즘을 제안한다. 이 모델은 LHCb에서 m(π+π−)≈f₀(500)일 때 B±→K±π+π− 붕괴에서 30% 이상의 CP 비대칭을 설명하며, 이 비대칭은 상대적인 강한 위상 δ̃에 따라 달라지며, 데이터와 일치하기 위해 δ̃가 200°에서 249° 사이여야 한다.

ABSTRACT

Large CP violation is an interesting phenomenon both theoretically and experimentally. Last year, LHCb Collaboration found in some three-body decays of bottom mesons that large CP violations appear in regions of the Dalitz plots that are not dominated by contributions from narrow resonances. In this paper, we present a mechanism which can induce such kind of large CP violations. In this mechanism, large localized CP asymmetries in phase space can be induced by the interference of two intermediate resonances with different spins. We also apply this mechanism to the decay channel $B^\pm o K^\pm π^+π^-$.

연구 동기 및 목표

• LHCb가 관측한 B±→K±π+π− 붕괴에서 나타나는 큰 국소적 CP 비대칭을 설명하기 위해, 특히 좁은 고리가 지배하지 않는 영역에서의 비대칭을 다루는 것.
• 스칼라 및 벡터 고리 간의 간섭이 3체 바텀 메손 붕괴에서 상당한 CP 위반을 유도할 수 있는지 조사하는 것.
• 실험적 CP 비대칭 데이터를 재현하기 위해 간섭하는 진폭들 사이의 강한 위상이 어떤 범위여야 하는지 규명하는 것.
• 이전의 유사한 붕괴에 대한 모델들과 비교해 자유 매개변수를 줄임으로써 이론적 기술을 단순화하는 것.

제안 방법

• 최종 상태 입자들의 진동 질량 제곱의 레지에르 다항식 전개를 일반화한 진폭 전개를 사용하며, 계수들은 중간 고리의 스핀에 따라 달라진다.
• 스핀이 다른 두 고리(J=0 및 J=1)의 기여를 합산하여 진폭을 모델링함으로써, 상호 간섭 항을 통해 CP 위반을 유도한다.
• B±→K±π+π−에 이 형식을 적용하며, m(π+π−)≈f₀(500) 영역에서 ρ⁰(770)과 f₀(500)을 주요 중간 상태로 간주한다.
• 형상 요소와 상대적인 강한 위상 δ̃라는 유일한 자유 매개변수를 사용하여 모델의 복잡성을 최소화한다.
• 이론적 미분 CP 비대칭을 g(sK±π∓)의 함수로 계산하고, LHCb 데이터와 비교하며, 형상 요소에 대해 단극 근사를 적용한다.
• 형상 요소를 최소 운동 상태에서 고정한다(F₁(B→K)(0)=0.35, A₀(B→ρ)(0)=0.28, F₀(B→f₀)(0)=0.3)하고, 5–6 GeV 정도의 다이폴 질량을 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라 및 벡터 고리 간의 간섭이 LHCb에서 관측된 B±→K±π+π−에서 큰 국소적 CP 비대칭을 설명할 수 있는가?
• RQ2 실험적 CP 비대칭 데이터를 재현하기 위해 f₀(500)과 ρ⁰(770) 진폭들 사이의 상대적인 강한 위상 δ̃가 어떤 범위여야 하는가?
• RQ3 m(π+π−)가 f₀(500) 근처일 때, K±π∓ 시스템의 진동 질량에 따라 CP 비대칭은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 왜 특정 다리츠 플롯 영역에서만 CP 비대칭이 크며, 다른 영역에서는 그렇지 않은가? 이는 우세한 좁은 고리가 없는 상황에서도 발생한다.
• RQ5 유일한 자유 매개변수(δ̃)만을 가진 단순화된 모델이 이 붕괴에서 관측된 CP 비대칭 패턴을 성공적으로 기술할 수 있는가?

주요 결과

• f₀(500)과 ρ⁰(770) 고리 간의 간섭은 좁은 고리가 지배하지 않는 상황에서도 B±→K±π+π−의 다리츠 플롯에서 큰 국소적 CP 비대칭을 생성할 수 있다.
• g(sK±π∓) > 0.5일 때, 즉 K±π∓ 시스템의 낮은 진동 질량 영역에서, 미분 CP 비대칭이 크며(30% 이상 초과), 이는 관측 결과와 일치한다.
• g(sK±π∓) < 0일 때, 즉 K±π∓ 시스템의 높은 진동 질량 영역에서는 CP 비대칭이 작으며, 이는 LHCb에서 그 영역에서 거의 0에 가까운 비대칭을 관측한 것과 일치한다.
• 실험 데이터를 재현하기 위해 상대적인 강한 위상 δ̃는 200°에서 249° 사이여야 하며, δ̃=220°일 때 비대칭 패턴에 잘 맞는다.
• 이 모델은 자유 매개변수를 하나(δ̃)로 줄여, 이전의 유사한 붕괴에 대한 모델보다 훨씬 단순하다.
• g(sK±π∓)의 함수로 계산된 이론적 CP 비대칭 예측은 LHCb 데이터와 일치하는 명확한 전이 패턴(작은 비대칭에서 큰 비대칭으로의 전환)을 보인다.