[논문 리뷰] Direct CP Violation in D Decays in view of LHCb and CDF Results

Bhubanjyoti Bhattacharya, Michael Gronau외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 23인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 관측된 D 메손 붕괴에서의 직접 CP 위반, ΔACP ≈ −0.7%는 CKM 인자 V*cbVub에 의해 지배되는 CP 위반 펜텀 진폭의 1/mc 보정에 의해 강화됨을 제안한다. 파괴된 SU(3) flavor 대칭 프레임워크를 사용하여, D⁰→K⁺K⁻와 D⁰→π⁺π⁻ 붕괴 간의 큰 비율 차이를 10% U-spin 위반 펜텀 진폭을 통해 설명하며, 캐러멜 메손 붕괴에서 CP 비대칭성 간의 상관관계와 특정 부호 패턴을 예측한다.

ABSTRACT

The LHCb and CDF Collaborations have recently reported evidence for a CP asymmetry around -0.7% in $ΔA_{CP}$, the difference between $A_{CP}(D^0 o K^+ K^-)$ and $A_{CP}(D^0 o π^+π^-)$. In the Standard Model this effect may be accounted for by enhanced $1/m_c$ corrections in a CP-violating penguin amplitude governed by a Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) factor $V^*_{cb}V_{ub}$. A consistent scheme based on broken flavor SU(3) is presented relating Cabibbo-favored (CF) and singly-Cabibbo-suppressed (SCS) $D$ meson decay rates into two pseudoscalars. Two important ingredients supporting the above interpretation for $ΔA_{CP}$ are a large exchange amplitude in CF decays which is formally $1/m_c$-suppressed, and a pure $ΔU=0$ U-spin breaking CP-conserving penguin amplitude involving $V^*_{cs}V_{us}$ and $V^*_{cd}V_{ud}$ which accounts for the difference between the $D^0 o K^+K^-$ and $D^0 o π^+π^-$ decay rates. The magnitudes of the CP conserving and CP violating penguin amplitudes, where the former involves U-spin breaking at a level of 10%, are shown to be related to each other by the magnitudes of corresponding CKM factors. This simple scheme leads to preferable sign predictions for CP asymmetries in charmed meson decays into two pseudoscalars and to correlations between asymmetries in two pairs of these processes.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 내에서 D⁰→K⁺K⁻ 및 D⁰→π⁺π⁻ 붕괴에서 관측된 직접 CP 위반, ΔACP ≈ −0.7%를 설명하기 위해.
• 파괴된 SU(3) flavor 대칭 프레임워크를 사용하여 |A(D⁰→K⁺K⁻)|/|A(D⁰→π⁺π⁻)| ≈ 1.8의 큰 비율 차이를 설명하기 위해.
• V*cbVub를 포함하는 진폭의 1/mc 보정에 기반한 CP 위반 비대칭성의 기원을 규명하기 위해.
• 모르는 강한 위상 δ를 가진 단일 복소 펜텀 진폭을 기반으로, 다양한 D 붕괴 모드에서의 CP 비대칭성 간의 상관관계를 예측하기 위해.
• 새로운 물리의 검증 가능한 서명을 제공하기 위해, 예를 들어 ACP(D⁺→π⁺π⁰) > 0.1%인 비영이 값이 존재할 경우를 포함한다.

제안 방법

• Cabibbo 유리한(CF) 및 단일 Cabibbo 억제된(SCS) D 붕괴 진폭을 이원자 편극자로 연결하기 위해 파괴된 플레이버 SU(3) 체계를 사용한다.
• U-spin 위반의 두 가지 원인을 도입한다: (1) ΔU=1 수준의 나무 진폭에서의 붕괴 상수 및 형상 인자 비율, (2) 순수한 ΔU=0 CP 보존 펜텀 진폭.
• CP 위반 펜텀 진폭 Pb를 V*cbVub 비례로 모델링하며, 1/mc 보정이 그 크기를 증가시킨다.
• U-spin 위반 펜텀 진폭(P+PA)의 크기를 측정된 ΔACP에 정규화하여 10% 위반 척도를 유추한다.
• 복소 펜텀 진폭 Pb와 그 모르는 강한 위상 δ에 따라 SCS 붕괴에서의 CP 비대칭성을 유도한다.
• δ에 따라 ACP(D⁰→π⁺π⁻)와 ACP(D⁰→K⁺K⁻) 사이의 상관관계, 그리고 ACP(D⁰→π⁰π⁰)와 ACP(D⁺→K⁺K̄⁰) 사이의 상관관계를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 내에서 관측된 D⁰→K⁺K⁻ 및 D⁰→π⁺π⁻ 붕괴에서의 ΔACP ≈ −0.7%는 CKM 인자 V*cbVub를 포함하는 CP 위반 펜텀 진폭의 1/mc 보정에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 U-spin 위반이 D⁰→K⁺K⁻와 D⁰→π⁺π⁻ 붕괴 간의 큰 비율 차이를 설명하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 다양한 D 붕괴 모드에서의 CP 비대칭성 간의 상관관계는 펜텀 진폭의 강한 위상 δ를 제약하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ4 U-spin 위반 효과를 고려할 때, 측정된 비대칭성이 단일 복소 펜텀 진폭 Pb와 V*cbVub를 가진 채로 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ5 특히 D⁺→π⁺π⁰ 또는 D⁺→K⁺K̄⁰ 붕괴에서, 제안된 SU(3) 기반 프레임워크를 배제하거나 확인할 수 있는 실험적 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 측정된 ΔACP ≈ −0.7%는 V*cbVub를 포함하는 CP 위반 펜텀 진폭 Pb의 1/mc 보정에 의해 강화된 것으로 일관된다.
• |A(D⁰→K⁺K⁻)|/|A(D⁰→π⁺π⁻)| ≈ 1.8의 비율을 설명하기 위해 10% U-spin 위반 펜텀 진폭(P+PA)이 필요하다.
• 이 프레임워크는 D⁰→π⁺π⁻, K⁺K⁻, π⁰π⁰, D⁺→K⁺K̄⁰에서 수십 ×10⁻³ 수준의 CP 비대칭성을 예측하며, 이는 알려지지 않은 강한 위상 δ에 따라 특정 부호 패턴을 가진다.
• δ에 따라 ACP(D⁰→π⁺π⁻)와 ACP(D⁰→K⁺K⁻) 사이의 상관관계, 그리고 ACP(D⁰→π⁰π⁰)와 ACP(D⁺→K⁺K̄⁰) 사이의 상관관계를 예측한다.
• ACP(D⁺→π⁺π⁰) > 0.1%인 비영이 값은 ΔI=3/2 연산자의 존재로 인해 새로운 물리의 명백한 증거가 된다.
• u-quark 최종 상태가 없는 D⁰→K⁰K̄⁰에서 CP 비대칭성이 없음을 고려하면 Pb 진폭에 대한 깔끔한 시험을 제공하며, 이로 인한 어떤 편향도 새로운 물리의 징후로 간주된다.