[논문 리뷰] $ε^\prime/ε$-2018: A Christmas Story

Andrzej J. Buras|mediaTUM (Technical University of Munich)|2018. 12. 14.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 표준모형(SM)에서 직접 CP 위반 매개변수 $\varepsilon'/\varepsilon$의 예측값이 장거리 QCD 효과, 특히 이중 QCD(DQCD) 프레임워크에서의 메손 진화를 고려하지 않아 실험값보다 크게 낮다는 주장을 펼친다. 저자는 2026년까지 SM의 최종 예측값이 $(5\pm2)\times10^{-4}$로 확인될 것이라 예측하며, 이는 라티스 QCD와 NNLO 보정 결과와도 일치한다. 이는 표준모형을 초월한 새로운 물리학이 존재할 것임을 시사한다.

ABSTRACT

I was supposed to review the status of $ε^\prime/ε$ both at the CKM Workshop in September in Heidelberg and recently at the Discrete 2018 Conference in Vienna. Unfortunately I had to cancel both talks for family reasons. My main goal in these talks was to congratulate NA48 and KTeV collaborations for the discovery of new sources of CP violation through their heroic efforts to measure the ratio $ε^\prime/ε$ in the 1980s and 1990s with final results presented roughly 16 years ago. As I will not attend any other conferences this year I will reach this goal in this writing. In this context I will give arguments, why I am convinced about the presence of new physics in $ε^\prime/ε$ on the basis of my work with Jean-Marc Gerard within the context of the Dual QCD (DQCD) approach and why RBC-UKQCD collaboration and in particular Chiral Perturbation Theory practitioners are still unable to reach this conclusion. I will demonstrate that even in the presence of pion loops, as large as advocated recently by Gilbert and Pich, the value of $ε^\prime/ε$ is significantly below the data, when the main non-factorizable QCD dynamics at long distance scales, represented in DQCD by {the meson evolution}, is taken into account. As appriopriate for a Christmas story, I will prophesy the final value of $ε^\prime/ε$ within the SM, which should include in addition to the correct matching between long and short distance contributions, isospin breaking effects, NNLO QCD corrections to both QCD penguin and electroweak penguin contributions and final state interactions. Such final SM result will probably be known from lattice QCD only in the middle of 2020s, but already in 2019 we should be able to see some signs of NP in the next result on $ε^\prime/ε$ from RBC-UKQCD.

연구 동기 및 목표

• 장거리 QCD 역학, 특히 메손 진화가 누락된 탓에 표준모형이 $\varepsilon'^{/}\varepsilon$를 과소평가하고 있다는 주장을 펼친다.
• 치탈 퍼티네이션 이론(χPT) 연구자들이 최종 상태 상호작용(양성자 루프)이 SM과 실험 간 괴리 문제를 해결한다고 주장하는 데 도전한다.
• DQCD 계산과 라티스 QCD 결과를 바탕으로 $\varepsilon'^{/}\varepsilon$에 새로운 물리학이 존재할 것임을 주장한다.
• 라티스 QCD 결과에 기반해 2020년대 중반까지 $\varepsilon'^{/}\varepsilon$의 최종 SM 값이 밝혀질 것임을 예측한다.

제안 방법

• 장거리 QCD 역학을 메손 진화를 통해 모델링하는 이중 QCD(DQCD) 방법을 사용하여, 이전에 고려된 것보다 $\varepsilon'^{/}\varepsilon$를 더 크게 억제한다.
• 표준모형 내에서 $\varepsilon'^{/}\varepsilon$의 해석적 공식을 적용하며, 강입자 행렬원소로 $B_{6}^{(1/2)}$와 $B_{8}^{(3/2)}$를 포함한다.
• RBC-UKQCD의 라티스 QCD 결과($B_{6}^{(1/2)}=0.57\pm0.19$, $B_{8}^{(3/2)}=0.76\pm0.05$)를 χPT 및 DQCD 예측과 비교한다.
• 실험적 입력에서 유도된 $a$와 $\hat{\Omega}_{\rm eff}$를 통해 이스ospin 위반 효과를 통합한다.
• 미래 개선 사항을 제안한다: NNLO QCD 보정, 개선된 FSI 처리, 더 정밀한 이스ospin 위반 계산.
• 기본값으로서 큰-$N$ 근사($B_{6}^{(1/2)}=B_{8}^{(3/2)}=1$)를 사용하여 $8.6\times10^{-4}$를 도출하며, 이는 실험값과 일치하지 않아 너무 낮다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형이 실험 측정값 $(16.6\pm2.3)\times10^{-4}$보다 훨씬 낮은 $\varepsilon'^{/}\varepsilon$ 값을 예측하는 이유는 무엇인가요?
• RQ2 치탈 퍼티네이션 이론(χPT)에서 모의한 최종 상태 상호작용(양성자 루프)이 SM 예측과 실험 간 괴리 문제를 완전히 해결할 수 있나요?
• RQ3 장거리 QCD 효과, 특히 DQCD에서의 메손 진화는 $\varepsilon'^{/}\varepsilon$의 SM 예측에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ4 이스ospin 위반 보정과 NNLO QCD 보정은 SM 예측을 정밀화하는 데 어떤 역할을 하나요?
• RQ5 언제쯤 라티스 QCD와 이론적 프레임워크가 $\varepsilon'^{/}\varepsilon$의 확정적인 SM 값에 도달할 수 있을까요?

주요 결과

• DQCD 접근법은 양성자 루프를 포함하더라도 $\varepsilon'^{/}\varepsilon$를 실험값 이하로 억제함을 보여준다.
• RBC-UKQCD의 라티스 QCD 결과($B_{6}^{(1/2)}=0.57\pm0.19$, $B_{8}^{(3/2)}=0.76\pm0.05$)는 SM 예측값을 약 $\sim5.5\times10^{-4}$로 도출하며, 여전히 실험값 이하이다.
• 저자는 NNLO QCD 보정과 개선된 FSI 및 이스ospin 위반 효과를 고려한 후 2026년까지 최종 SM 값이 $(5\pm2)\times10^{-4}$로 확인될 것이라 예측한다.
• SM과 실험 간 괴리로 인해 $\varepsilon'^{/}\varepsilon$에 새로운 물리학이 존재할 것임을 시사하며, 이는 DQCD 결과에 의해 지지되지만 아직 χPT나 라티스 QCD에 의해 확인되지는 않았다.
• 저자는 2020년대 중반까지 라티스 QCD가 최종 SM 값을 확인할 것으로 기대하며, 이는 2026년 이전일 가능성이 높다.
• NA48와 KTeV의 실험 결과는 전체 논의의 기초가 되며, $\varepsilon'^{/}\varepsilon$ 이상현상의 기준이 된다.