[논문 리뷰] Nonleptonic Charm Decays and CP Violation

Bhubanjyoti Bhattacharya, Michael Gronau외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 20인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 최근 LHCb와 CDF에서 관측된 단일-Cabibbo 억제된 $D^0$ 붕괴에서의 직접 CP 위반 현상을 설명하기 위해, 쿠르트-SU(3) 대칭 프레임워크와 함께 SU(3) 위반 효과를 포함하는 모델을 제안한다. 측정된 약 0.7% 수준의 CP 비대칭성 차이를 설명하기 위해, CP 위반 펜타곤 진폭을 강화한 현상학적 모델을 도입한다. 이 모델은 $D^0\to\pi^0\pi^0$ 및 $D^+\to K^+\overline{K}^0$ 최종 상태에서 비제로의 CP 비대칭성을 예측하며, 강한 위상 $\delta$의 넓은 범위에서 이들의 부호가 반대가 된다. 또한 이 모델은 $D^0\to K^0\overline{K}^0$ 및 $D^+\to\pi^+\pi^0$에서 $A_{CP}=0$임을 시사하며, 새로운 동역학이나 $PA_b$ 기여가 포함되지 않는 한 이를 초월할 수 없다.

ABSTRACT

In this talk we briefly present a flavor-SU(3) technique to study branching ratios and direct CP asymmetries $D$-meson decays. The first part of the talk is meant to set up a foundation, based on previous work, to deal with flavor-SU(3) amplitudes and relative strong phases. In addition, we present a model for dealing with SU(3)-breaking in branching ratio measurements of SCS $D^0$ decays. In the second part of the talk we make use of a proposal for an enhanced CP-violating penguin in the SM, to explain the recent LHCb and CDF observations of CP violation in SCS $D^0$ decays. Furthermore, we use our model to predict CP violation in $π^0π^0$ and $K^+\bar{K}^0$ final states. Large experimental bounds on individual CP asymmetries give rise to a large allowed range of $δ$, the strong phase of the CP-violating penguin. We also briefly discuss future prospects.

연구 동기 및 목표

• Cabibbo 억제된 $D^0$ 붕괴에서 관측된 직접 CP 위반 현상을 설명하기 위해, 표준모형 기대치와 다름없는 $\pi^+\pi^-$ 및 $K^+K^-$ 최종 상태를 포함한다.
• 단일-Cabibbo 억제된 $D$ 붕괴에서의 SU(3) 위반 효과를 고려한 플레이버-SU(3) 프레임워크를 개발한다.
• 강화된 펜타곤 모델에 기반해 $D^0\to\pi^0\pi^0$ 및 $D^+\to K^+\overline{K}^0$ 최종 상태에서의 CP 비대칭성을 예측한다.
• 비임계적 강화된 펜타곤 진폭이 포함된 표준모형이 새로운 물리학 해석의 대안으로 타당한지 평가한다.
• 미래 측정을 통해 모델을 검증하고 강한 위상 $\delta$를 제약하는 데 기여할 수 있는 주요 붕괴 채널을 규명한다.

제안 방법

• 트리, 펜타곤, 그리고 흡수 위상 구조를 포함한 $D$ 붕괴 진폭을 기술하기 위해 플레이버-SU(3) 다이어그램 기법을 사용한다.
• 트리 진폭과 흡수 진폭에서 인과적 SU(3) 위반 효과를 도입하여 SCS $D^0$ 붕괴 분율의 편차를 설명한다.
• SU(3) 위반이 펜타곤 위상에서 GIM 상쇄 효과가 없기 때문에 발생하며, 이로 인해 CP 위반 펜타곤 진폭이 강화된 모델을 제안한다.
• 이 프레임워크를 적용하여 $D^0\to\pi^0\pi^0$ 및 $D^+\to K^+\overline{K}^0$에서의 직접 CP 비대칭성을 예측하며, 강한 위상 $\delta$의 넓은 범위에서 이들이 상관관계가 있고 부호가 반대임을 보여준다.
• 모델에서 $D^0\to K^0\overline{K}^0$에서 $A_{CP}$가 0이 되는 것을 초월하기 위해 $PA_b$ (펜타곤 흡수)의 역할을 고려한다.
• 개별 CP 비대칭성에 대한 실험적 제약 조건을 사용하여, CP 위반 펜타곤 진폭의 강한 위상 $\delta$의 允許 범위를 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플레이버-SU(3) 대칭성과 SU(3) 위반 효과를 포함한 모델이 $D^0\to\pi^+\pi^-$ 및 $D^0\to K^+K^-$ 최종 상태의 측정된 붕괴 분율을 잘 설명할 수 있는가?
• RQ2 관측된 $D^0\to\pi^+\pi^-$ 및 $D^0\to K^+K^-$ 붕괴에서의 직접 CP 위반이 표준모형 내에서 강화된 CP 위반 펜타곤 진폭과 일치하는가?
• RQ3 제안된 모델 하에서 $D^0\to\pi^0\pi^0$ 및 $D^+\to K^+\overline{K}^0$ 최종 상태에서의 예측된 CP 비대칭성은 무엇인가?
• RQ4 왜 모델에서 $D^0\to K^0\overline{K}^0$ 및 $D^+\to\pi^+\pi^0$에서 $A_{CP}=0$이며, 어떤 새로운 동역학이 비제로의 비대칭성을 유도할 수 있는가?
• RQ5 현재의 개별 CP 비대칭성에 대한 실험적 제약 조건을 고려할 때, CP 위반 펜타곤 진폭의 강한 위상 $\delta$는 얼마나 제약을 받는가?

주요 결과

• 플레이버-SU(3) 프레임워크는 Cabibbo 유리한 $D$ 붕괴를 잘 기술하며, 매개변수 피팅에서 낮은 $\chi^2$ 최소값을 보인다.
• SCS $D^0\to\pi^+\pi^-$ 및 $D^0\to K^+K^-$ 붕괴의 측정된 붕괴 분율은 SU(3) 예측과 상당한 편차를 보이며, 트리 진폭에서의 인과적 SU(3) 위반만으로는 이러한 편차를 설명할 수 없다.
• 저자들은 펜타곤 위상에서 GIM 상쇄 효과가 없기 때문에 발생하는 SU(3) 위반을 통해 CP 위반 펜타곤 진폭이 강화된 모델을 제안한다.
• 이 모델은 표준모형 프레임워크 내에서 $D^0\to\pi^+\pi^-$와 $D^0\to K^+K^-$ 붕괴 간의 관측된 약 0.7% 수준의 직접 CP 비대칭성 차이를 성공적으로 설명한다.
• 이 모델은 강한 위상 $\delta$의 넓은 범위에서 $D^0\to\pi^0\pi^0$에서의 $A_{CP}$가 양수이고 $D^+\to K^+\overline{K}^0$에서의 $A_{CP}$가 음수임을 예측하며, 이 두 비대칭성 간의 상관관계를 나타낸다.
• 개별 CP 비대칭성에 대한 실험적 범위가 넓기 때문에, CP 위반 펜타곤 진폭의 강한 위상 $\delta$는 여전히 잘 제약되지 않았으며, 더 정밀한 측정이 필요함을 시사한다.