[논문 리뷰] Direct CP Violation in B Decays

Michael Gronau|ArXiv.org|2007. 06. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 강한 화학적 불확실성에도 불구하고 직접 CP 위반 측정이 CKM 프레임워크에 대한 정밀한 시험과 뉴 피직스에 대한 민감한 탐지 수단이 될 수 있음을 보여준다. $B \to D^{(*)}K^{(*)}$, $\pi^+\pi^-$, $\rho^+\rho^-$, 및 $B^+ \to J/\psi K^+$ 붕괴에서의 비대칭을 분석함으로써, 측정된 비대칭이 CKM 위상 $\gamma$ 를 제약하고 뉴 피직스를 null 테스트를 통해 탐지하며, $b \to s\bar{q}q$ 전이에서 잠재적인 뉴 피직스 연산자의 이소스핀 성질을 드러내는 데 기여한다.

ABSTRACT

We discuss several aspects of direct CP asymmetries in B decays, which are very useful in spite of hadronic uncertainties in asymmetry calculations. 1) Asymmetries in decays to $D^{(*)}K^{(*)}$, $π^+π^-, ρ^+ρ^-$, providing precision tests for the CKM phase $γ$. 2) Null tests in $B^+ o J/ψK^+, π^+π^0$, where a nonzero asymmetry provides evidence for New Physics. 3) Isospin and broken flavor SU(3) relations among CP asymmetries in $B o Kπ, ππ$ predicting $A_{CP}(B^0 o K^0π^0)$ and $A_{CP}(B^0 o π^0π^0)$. 4) The significance of $A_{CP}(B^0 o K^+π^-) e A_{CP}(B^+ o K^+π^0)$. 5) A potentially stringent constraint on $γ$ from $A_{CP}(B^+ o K^+π^0)$ and $R_c\equiv 2Γ(B^+ o K^+π^0)/Γ(B^+ o K^0π^+)$. 6) The role of direct CP asymmetries in $b o s\bar qq$ decays for studying the origin of potential New Physics.

연구 동기 및 목표

• 직접 CP 위반이 강한 화학적 불확실성에 영향을 받더라도 CKM 위상 $\\gamma$ 를 정밀하게 제약할 수 있음을 보여주기 위해.
• 만약 비제로 비대칭이 관측된다면, $B^+ \to J/\psi K^+$ 와 $B^+ \to \pi^+\pi^0$ 에서의 null 테스트를 식별하여 뉴 피직스를 명확히 신호할 수 있도록 하기 위해.
• 이소스핀과 플레이버 SU(3) 대칭성을 사용하여 $B \to K\pi$ 와 $B \to \pi\pi$ 모드 간의 CP 비대칭을 연결함으로써 SU(3) 위반을 예측하고 시험할 수 있도록 하기 위해.
• $b \to s\bar{q}q$ 붕괴에서의 직접 CP 비대칭이 뉴 피직스 연산자의 이소스핀 성질을 드러내는 데 어떻게 기여할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 결합 측정을 통해 $C$, $\Delta S$, 및 이소스핀 비대칭을 사용하여 뉴 피직스 기여를 표준 모형의 강한 화학적 불확실성과 구별하는 방법을 수립하기 위해.

제안 방법

• 이소스핀 대칭성을 사용하여 $B^0 \to K^0\pi^0$, $B^0 \to \pi^0\pi^0$, 및 $B^+ \to K^+\pi^0$ 붕괴를 연결하고, $A_{CP}(K^0\pi^0) = -0.140 \pm 0.043$ 를 예측하는 합 규칙을 유도한다.
• 플레이버 SU(3) 대칭성을 적용하여 $A_{CP}(B^0 \to K^+\pi^-)$ 와 $A_{CP}(B^0 \to \pi^+\pi^-)$ 를 연결하고, 비율 $A_{CP}(K^+\pi^-)/A_{CP}(\pi^+\pi^-) = -\mathcal{B}(\pi^+\pi^-)/\mathcal{B}(K^+\pi^-)$ 를 예측한다.
• $B^+ \to K^+\pi^0$ 붕괴 비대칭과 비율 $R_c = 2\Gamma(B^+ \to K^+\pi^0)/\Gamma(B^+ \to K^0\pi^+)$ 를 사용하여 $\gamma$ 를 매우 민감하게 제약한다.
• $B^0 \to X K^0$ 붕괴에서의 $C$ 와 $\Delta S$ 비대칭을 분석하고, 원의 관계 $\left(\Delta S / \cos 2\beta\right)^2 + C^2 = (2\xi \sin \gamma)^2$ 를 사용하여 표준 모형의 불확실성 초과에서 뉴 피직스를 탐지한다.
• 이소스핀 보존 비대칭 $A_I = [\Gamma(XK^+) - \Gamma(XK^0)] / [\Gamma(XK^+) + \Gamma(XK^0)]$ 을 도입하여 $b \to s\bar{q}q$ 전이에서 뉴 피직스 연산자의 이소스핀 성질 ($\Delta I = 0$ 또는 $1$) 을 탐사한다.
• $B \to \pi\pi$, $B \to K\pi$, 및 $B \to \rho\rho$ 모드에서 직접 비대칭, 혼합 유도 비대칭, 이소스핀 관계의 상호작용을 사용하여 뉴 피직스 효과와 강한 화학적 불확실성을 구별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 화학적 불확실성에도 불구하고 $B \to D^{(*)}K^{(*)}$ 붕괴에서의 직접 CP 비대칭이 CKM 위상 $\gamma$ 를 정밀하게 결정할 수 있는가?
• RQ2 만약 $B^+ \to J/\psi K^+$ 또는 $B^+ \to \pi^+\pi^0$ 에서 비제로의 직접 CP 비대칭이 관측된다면, 이는 뉴 피직스에 대한 명확하고 모형에 의존하지 않는 서명이 될 수 있는가?
• RQ3 이소스핀과 플레이버 SU(3) 대칭성을 어떻게 사용하여 $B \to K\pi$ 와 $B \to \pi\pi$ 붕괴에서의 CP 비대칭을 예측하고 시험할 수 있는가?
• RQ4 $B^+ \to K^+\pi^0$ 와 $B^0 \to K^+\pi^-$ 에서의 측정된 비대칭은 표준 모형 내에서 설명될 수 있는가, 아니면 뉴 피직스를 시사하는가?
• RQ5 결합 측정을 통해 $C$, $\Delta S$, 및 $A_I$ 를 사용할 때, $b \to s\bar{q}q$ 붕괴에 기여하는 잠재적 뉴 피직스 연산자의 이소스핀 성질 ($\Delta I = 0$ 또는 $1$) 은 무엇인가?

주요 결과

• 이소스핀 합 규칙은 $A_{CP}(B^0 \to K^0\pi^0) = -0.140 \pm 0.043$ 를 예측하여 SU(3) 대칭성과 강한 화학 역학에 대한 엄격한 시험을 제공한다.
• 직접 비대칭 비율 $A_{CP}(K^+\pi^-)/A_{CP}(\pi^+\pi^-)$ 는 분해율의 역수 비율과 일치하며, 플레이버 SU(3) 대칭성의 타당성을 약 10% 정확도로 확인한다.
• $A_{CP}(B^+ \to K^+\pi^0)$ 와 $R_c - 1$ 이 작은 값임을 고려하면 $\gamma$ 는 매우 강하게 제약되며, 현재 가장 정밀한 결정인 $\gamma = (72 \pm 6)^\circ$ 를 제공한다.
• $B^+ \to J/\psi K^+$ 또는 $B^+ \to \pi^+\pi^0$ 에서 백분율 수준의 비제로 직접 CP 비대칭이 관측된다면, 이는 깔끔하고 모형에 의존하지 않는 뉴 피직스 서명이 될 것이다.
• $B^0 \to X K^0$ 붕괴에서의 $C$ 와 $\Delta S$ 비대칭은 $\left(\Delta S / \cos 2\beta\right)^2 + C^2 = (2\xi \sin \gamma)^2$ 로 정의된 원 위에 위치하며, 강한 화학적 불확실성 초과에서의 편차가 발생할 경우 뉴 피직스를 탐지할 수 있다.
• 이소스핀 비대칭 $A_I$ 와 결합된 $C$, $\Delta S$, $A_I$ 측정 결과는 $b \to s\bar{q}q$ 붕괴에 대한 뉴 피직스 기여가 작아야 하며, 향후 실험 정밀도 향상으로 이소스핀 성질을 규명할 필요가 있음을 시사한다.