[논문 리뷰] Neutral meson tests of time-reversal symmetry invariance

A. J. Bevan, G. Inguglia외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 e⁺e⁻ 충돌기에서 생성된 얽힌 B 및 D 메손 쌍을 이용해 약한 붕괴에서 시간역전(T) 대칭 불변성 검증을 위한 종합적인 프로그램을 제안한다. b→u,d,s,c 및 c→d,s 쿼크 전이에 대한 새로운 CP 필터 기저를 도입함으로써, 기존의 CP 비대칭 연구를 보완하고 모든 접근 가능한 쿼크 전이에서 Kobayashi-Maskawa 메커니즘을 탐색할 수 있는 정밀한 T 위반 측정이 가능해진다.

ABSTRACT

The laws of quantum physics can be studied under the mathematical operation T that inverts the direction of time. Strong and electromagnetic forces are known to be invariant under temporal inversion, however the weak force is not. The BaBar experiment recently exploited the quantum-correlated production of pairs of B0 mesons to show that T is a broken symmetry. Here we show that it is possible to perform a wide range of tests of quark flavour changing processes under T in order to validate the Standard Model of particle physics covering b to u, d, s, and c transitions as well as c to u, d and s transitions using entangled B and D pairs created in Y(4S) and psi(3770) decays. We also note that pseudoscalar decays to two spin one particle final states provide an additional set of CP filter bases to use for T violation tests.

연구 동기 및 목표

• BaBar가 관측한 기존의 b→c 전이를 초월해 T 대칭성 검증의 실험적 프로그램을 확장하기 위해.
• 표준모형 내에서 b→u, d, s 및 c→d, s 쿼크 전이에 대한 체계적인 T 위반 측정이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 얽힌 메손 쌍과 수직 CP 필터 기저를 이용해 T, CP, CPT 대칭성을 통합된 프레임워크로 테스트하기 위해.
• T 위반 관측량을 통해 Kobayashi-Maskawa 위상과 유니타리 삼각형 각도에 대한 고정밀 제약를 가능하게 하기 위해.
• B 및 τ-초미세입자 공장에서의 향후 고통계 실험을 대비해 측정 가능한 T 비대칭성과 그 민감도를 제시하기 위해.

제안 방법

• Υ(4S) 및 ψ(3770) 붕괴에서 생성되는 양자상관된 B⁰B̄⁰ 및 D⁰D̄⁰ 쌍을 이용해 T 수반 전이에 접근한다.
• 수직인 CP 필터 기저—예를 들어, 품질별 붕괴(예: 반레프톤적 B⁰→Xℓν) 및 K⁰S/L, π⁰ 다리츠, 또는 벡터 메손 최종 상태—를 이용해 초기 및 최종 상태를 태그한다.
• T 비대칭 관측량 AT = [Γ(|1⟩→|2⟩) − Γ(|2⟩→|1⟩)] / [Γ(|1⟩→|2⟩) + Γ(|2⟩→|1⟩)] 을 구성하여 T 위반을 탐지한다.
• B⁰ 및 D⁰ 시스템에서 시간에 따라 변하는 비대칭성 ACP,T와 시간에 통합된 비대칭성 ACP,CPT를 측정하여, CP 위반과 독립적으로 T 위반을 탐색한다.
• D⁰→K⁰SK⁰SK⁰L 및 그 T 수반 모드를 이용해 장거리 기여가 감소된 c→d 및 c→s 전이에서 T 위반을 탐색한다.
• 이 방법을 LHC 및 B 공장에서의 B⁰s 및 D⁰ 시스템으로 확장하여 CKM 행렬의 교차검증 및 과잉 제약를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 얽힌 B 메손 쌍을 이용해 b→u, d, s, c 쿼크 전이에서 T 대칭성 위반을 측정할 수 있는가?
• RQ2 B 및 D 붕괴에서 T 위반 진폭을 분리하기 위해 새로운 CP 필터 기저를 어떻게 구성할 수 있는가?
• RQ3 향후 e⁺e⁻ 및 LHC 실험에서 T 위반에 대한 민감도는 어떻게 예측할 수 있는가? (특히 쿠르트 및 뷰티 영역에서)
• RQ4 D⁰ 붕괴에서의 T 위반 비대칭성은 B⁰ 붕괴와 비교해 어떻게 다른가? 그리고 이는 Kobayashi-Maskawa 메커니즘에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 T, CP, CPT 비대칭성의 전부를 측정하여 Kobayashi-Maskawa 위상과 유니타리 삼각형을 과잉 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 논문은 K⁰S/L, π⁰ 다리츠, 벡터 메손 최종 상태와 같은 새로운 수직인 CP 필터 기저를 식별하여, B 및 D 붕괴에서 깔끔한 T 위반 측정이 가능해졌음을 밝혔다.
• T 위반 효과가 b→d 및 b→s 전이에서 b→c 전이와 비슷한 크기로 예측되며, 둘 다 유니타리 삼각형 각도 β에 민감하다고 밝혔다.
• b→u 전이에서의 T 위반은 더 작을 것으로 예측되며, 각도 α에 해당하므로 측정이 더 어려우나 고통계 데이터를 통해 여전히 측정 가능하다고 밝혔다.
• D⁰→K⁰SK⁰SK⁰L 및 그 T 수반 모드의 측정은 장거리 기여가 감소된 c→d 및 c→s 전이에서 T 위반을 탐색할 수 있는 실현 가능한 길을 제공한다.
• 제안된 프로그램은 T, CP, CPT 대칭성 관측량을 통해 CKM 메커니즘을 다채널로 체계적으로 검증하고 표준모형을 과잉 제약할 수 있도록 한다.
• B 및 τ-초미세입자 공장에서의 향후 실험에 대한 민감도를 추정하였으며, 고통계 샘플이 이러한 T 위반 검증을 위해 필요한 정밀도를 확보하는 데 필수적임을 보여주었다.