[논문 리뷰] Direct CP Violation in B+ to J/psi K+ Decay as Probe for New Physics

W.-S. Hou, Makiko Nagashima외 1명|ArXiv.org|2006. 05. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 $B^+ \to J/\psi K^+$ 붕괴 모드에서의 직접 CP 위반성이 뉴 피직스를 감지하는 민감한 탐지수단이 될 수 있다고 제안한다. 기존의 $B$-메손 붕괴에서의 뉴 피직스 힌트가 확인된다면, 이 붕괴에서 1% 이상의 비대칭도를 예측한다. 분석 결과, 1% 이상의 비제로 직접 CP 비대칭도 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$는 표준모형을 초월한 물리학을 강력히 시사하며, 특히 전자약력 펜텀 또는 색수축된 펜텀 진폭에서의 뉴 피직스 위상에 의해 유도된 경우 더욱 그렇다.

ABSTRACT

Currently there are New Physics hints in mixing-induced CP violation S(phi K0), S(pi0 K0) < S(J/psi K0), unequal direct CP violation A(K+ pi-) differs A(K+ pi0), and maybe even in measured S(J/psi K0) vs prediction from global fit to other data. However, these hints either suffer from experimental uncertainties, or uncertain hadronic corrections, and are not yet unequivocal. Motivated by these hints, however, we point out that a unique probe may be direct CP violation in B to JψK mode. An asymmetry observed at 1% or higher would indicate New Physics.

연구 동기 및 목표

• 기타 $B$-붕괴 모드에서 애매한 힌트가 존재하는 상황에서, $B^+ \to J/\psi K^+$ 붕괴에서의 직접 CP 위반이 뉴 피직스에 대한 청소결정 탐지수단이 될 수 있는지 조사하기 위해.
• 만약 $b \to s\bar{q}q$ 또는 $b \to c\bar{c}s$ 붕괴에서 뉴 피직스가 존재한다면, 직접 CP 비대칭도 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$가 1% 수준 또는 그 이상으로 관측될 수 있는 잠재력을 평가하기 위해.
• 특히 2008년까지 약 2000M의 $B\bar{B}$ 쌍이 기대되는 기존 및 향후 $B$-팩토리 데이터를 활용해 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$를 고정밀도로 측정할 수 있는 가능성을 평가하기 위해.
• 전자약력 펜텀 및 색수축된 펜텀 진폭에 대한 뉴 피직스 기여의 이론적 배경을 탐색하고, 강한 위상 $\delta$에 대한 그 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• $B^+ \to J/\psi K^+$의 붕괴 진폭은 $\mathcal{M} = a e^{i\delta} + b e^{-i\phi}$로 모델링되며, 여기서 $a$가 지배적이고 $\delta$는 강한 위상을 나타낸다.
• 뉴 피직스 기여는 효과적 윌슨 계수 $\Delta c_3^{\psi K}$와 $\Delta c_9^{\psi K}$를 통해 매개되며, 각각 색수축된 펜텀 및 전자약력 펜텀 진폭을 나타낸다.
• 모델은 $\Delta c_5^{\psi K} = \Delta c_7^{\psi K} = 0$로 가정하며, $\Delta c_3^{\psi K} \propto \xi^{LL}_3 e^{i\phi_L}$ 및 $\Delta c_9^{\psi K} \propto \xi^{LL}_9 e^{i\phi_L}$로 표현되며, 여기서 $\phi_L$는 뉴 피직스 CP 위상이다.
• 직접 CP 비대칭도 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$는 $\delta$와 $\phi_L$의 함수로 계산되며, $|\delta| \sim 30^\circ$ 및 $\phi_L \sim -90^\circ$일 경우 $|\mathcal{A}_{J/\psi K^+}|$가 몇 퍼센트에 이르는 것으로 나타난다.
• 분석은 $Z'$ 모델과 4번째 쿼크 세대 모델을 활용하여, 표준모형 예측에서 $\mathcal{S}_{J/\psi K^0}$의 약 -0.05의 이격이 발생할 경우 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+} \sim$ 몇 퍼센트에 이르는 결과를 도출한다.
• 통계적 오차 추정은 약 500M의 $B\bar{B}$ 사건(Belle)과 약 2000M의 사건(2008년 기준)을 가정하여 수행되었으며, 각각 통계적 오차가 0.005 이하, 0.003 이하로 예측되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1% 수준 또는 그 이상의 직접 CP 비대칭도 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$가 $B$ 붕괴에서 뉴 피직스를 확실하게 탐지할 수 있는 기준이 될 수 있는가?
• RQ2 전자약력 펜텀 또는 색수축된 펜텀 진폭에서의 뉴 피직스 위상이 $B^+ \to J/\psi K^+$에서 큰 직접 CP 비대칭도를 어떻게 생성할 수 있는가?
• RQ3 현재의 실험 측정치인 $\mathcal{S}_{J/\psi K^0}$와 $\mathcal{A}_{K^+\pi^0} - \mathcal{A}_{K^+\pi^-}$는 뉴 피직스의 맥락에서 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$의 크기를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$에서 뉴 피직스 신호를 표준모형 예측과 구별하기 위해 필요한 통계적 정밀도는 어느 정도인가?
• RQ5 미래의 슈퍼 B 팩토리 환경에서 체계적 오차는 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$의 밀리퍼센트 수준 측정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 1% 또는 그 이상의 직접 CP 비대칭도 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$는 뉴 피직스에 대한 강력한 증거를 제공하며, 특히 전자약력 펜텀 또는 색수축된 펜텀 진폭에서의 뉴 피직스 위상에 의해 유도된 경우 더욱 그렇다.
• 이론적 모델링 결과, $|\delta| \sim 30^\circ$ 및 $\phi_L \sim -90^\circ$일 경우 $|\mathcal{A}_{J/\psi K^+}|$가 몇 퍼센트에 이르는 것으로 나타났으며, 이는 $Z'$ 모델과 4번째 쿼크 세대 모델의 예측과 일치한다.
• 약 500M의 $B\bar{B}$ 사건이 있을 경우, $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$의 통계적 오차는 0.005 이하로 줄어들어 2% 비대칭도는 명확하게 탐지 가능하다.
• 현재 세계 평균값인 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$는 0.016 ± 0.016(PDG 2005)이며, CLEO, Belle, BaBar의 데이터를 바탕으로 하지만, 2003년 이후로 업데이트되지 않았고 아직 통계적으로 유의미하지 않다.
• $B^0 \to J/\psi K^0$와의 조합 측정은 오차를 약 10% 정도 줄일 수 있으나, 시간에 따라 변화하는 분석을 사용하지 않는 한 그 정도의 개선은 한계가 있다.
• 향후 LHC(ATLAS, CMS, LHCb)에서의 측정은 $\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$에 대해 밀리퍼센트 수준의 정밀도를 달성할 것으로 기대되며, 표준모형 예측을 직접 측정할 수 있을 것이다.