[논문 리뷰] (\Delta A_{CP})_{LHCb} and the fourth generation

A. Rozanov, M. I. Vysotsky|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 6인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 LHCb에서 측정한 ∆ACP ≈ −0.82%와 같은 D-메손 붕괴에서 관측된 CP 위반 현상이 네 번째 쿼크 및 렙톤 세대의 존재로 설명될 수 있다고 제안한다. 이는 표준모형에서의 작은 CP 비대칭을 약 40배 증폭시킬 수 있는, 무거운 네 번째 쿼크인 b′ 쿼크가 존재할 경우, 표준모형의 예측값을 실험 측정값과 일치시키면서도 D0−D̄0 혼합 제약 조건을 만족함을 보여준다.

ABSTRACT

LHCb collaboration measured CPV at the level of one percent in the difference of assymetries in $D^0(\bar D^0) o \pi^+ \pi^-, K^+ K^-$ decays. If confirmed on a larger statistics and final systematics this would mean New Physics manifestation. The fourth quark-lepton generation can be responsible for the observed effect.

연구 동기 및 목표

• LHCb에서 약 1% 수준에서 측정한 D0→π+π− 및 D0→K+K− 붕괴에서 관측된 큰 CP 비대칭을 설명하기 위해.
• 특히 무거운 b′ 쿼크를 포함한 네 번째 쿼크 세대로 인해 D 붕괴에서 관측된 CP 위반이 설명될 수 있는지 조사하기 위해.
• D0−D̄0 혼합 데이터와 CP 비대칭 측정값을 이용해 Vcb′V∗ub′ 요소의 크기와 위상을 제약하기 위해.
• 표준모형을 초월한 쿠르츠에서의 새로운 CP 위반의 원천으로서 네 번째 세대의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 효과적 해밀토니안 접근법을 사용하여 D→ππ 및 D→KK 붕괴에서의 CP 비대칭을 계산하고, 펜터 및 트리 수준 기여를 포함한다.
• U-스핀 대칭 근사에서 표준모형에서는 ACP(π+π−) ≈ −ACP(K+K−)임을 보여주지만, 대칭 파괴는 이들의 편차를 허용한다.
• 네 번째 세대 모형에서 펜터 진폭을 수정하여 Vcb′V∗ub′ 및 f(mb′)를 포함하는 새로운 항을 도입하며, f(m) ≈ ln(MW/m)로 표현되며 가상 쿼크 질량에 대해 적용된다.
• D0−D̄0 혼합률을 이용하여 b′¯b′ 쌍을 포함하는 상자 도형을 통해 |Vcb′V∗ub′|를 제약하며, 상한선 2×10−3을 유도한다.
• 네 번째 세대 모형에서 유도된 ∆ACP를 표준모형 예측값과 LHCb/CDF 실험 측정값과 비교한다.
• 단위성 조건을 적용하여 네 번째 세대 CKM 행렬이 현재 실험 제약 조건과 일치함을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네 번째 쿼크 세대가 LHCb 및 CDF에서 관측한 D-메손 붕괴에서의 ∆ACP ≈ −0.82%의 큰 CP 비대칭을 설명할 수 있는가?
• RQ2 네 번째 세대 모형 내에서 관측된 ∆ACP를 생성하기 위해 필요한 Vcb′V∗ub′ 요소의 크기와 위상은 무엇인가?
• RQ3 mb′ ≈ 500 GeV인 무거운 b′ 쿼크가 표준모형과 비교해 D 붕괴에서 펜터 진폭과 CP 비대칭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 D0−D̄0 혼합 측정값과의 일관성이 네 번째 세대 모형에 유지되는가?
• RQ5 네 번째 세대 모형이 표준모형의 CP 비대칭을 실험 데이터와 일치시키기 충분한 정도로 증폭시킬 수 있는가?

주요 결과

• 네 번째 세대 모형은 표준모형 대비 약 40배의 CP 비대칭 ∆ACP를 증폭시켜, LHCb에서 측정한 ∆ACP = −0.82%와 일치시킨다.
• 모형은 네 번째 세대 상황에서 ACP(π+π−) ≈ −ACP(K+K−)를 예측하며, 이는 ∆ACP의 관측된 부호와 크기와 일치한다.
• D0−D̄0 혼합 데이터에 의해 |Vcb′V∗ub′|는 ≤ 2×10−3로 제약되며, 이 상한선은 b′¯b′ 상자 도형이 혼합을 지배함에 따라 결정된다.
• Vcb′V∗ub′의 위상 값이 10배 감소하더라도 모형은 타당성이 유지되며, ln(MW/mc) ≈ 4인 로그 증폭 덕분에 ∆ACP가 여전히 크게 증가한다.
• 현재 실험 제약 수준에서 D0−D̄0 혼합에서 관측 가능한 CP 위반이 모형에 의해 예측되며, 검증 가능한 서명을 제공한다.
• 네 번째 세대 해법은 단위성 조건과 일치하며, |Vub′| ≤ 1.5×10−2 및 |Vcb′| > 0.15를 허용하여 |Vcb′V∗ub′| = 2×10−3가 타당한 값임을 뒷받침한다.