[논문 리뷰] Probing CP Violation in $τ^- o ν(Kπ/K2π/ 3K/ K3π)^- $ Decays

I. I. Bigi|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표준모형(SM)을 초월한 뉴 디나믹스(ND)를 탐지하기 위해 $τ^{-}→\nu(K\pi/K2\pi/3K/K3\pi)^{-}$ 붕괴에서의 CP 위반을 조사한다. 특히, $K\pi$, $K2\pi$, $3K$, $K3\pi$와 같은 다체 final state에서의 별개의 CP 비대칭 측정이 필수적임을 강조하며, 전반적인 비대칭은 억제되므로 ND를 탐지하기에는 부족하다. 주요 결과는未래의 SuperB 및 Super-Belle 실험에서 다이얼리츠 도표 분포와 T-홀드 모멘트를 활용해 ND 효과를 SM 기여와 분리하여 높은 민감도로 탐지할 수 있다는 것이다.

ABSTRACT

It had been suggested to probe CP violation in τ ightarrow νKπ decays with K0 -K ^{-}0 oscillation to produce ACP(τ- ightarrow νKSπ-) = (0.36\pm0.01)%. BaBar has found ACP(τ- ightarrow νKSπ-[\geq π0]) = (-0.36 \pm 0.23 \pm 0.11)% - i.e., 2.8 sigma difference with SM prediction. It is discussed, why one needs to probe ACP(τ ightarrow νKπ), ACP(τ ightarrow νK2π) and ACP(τ ightarrow νK3π) separately to establish the existence of New Dynamics and its features. It should be possible at SuperB & Super-Belle experiments.

연구 동기 및 목표

• 표준모형(SM)을 초월한 뉴 디나믹스(ND)를 탐지하기 위해 $τ^{-}→\nu(K\pi/K2\pi/3K/K3\pi)^{-}$ 붕괴에서의 CP 비대칭이 민감한 탐지 수단임을 입증하는 것.
• 전반적인 CP 비대칭은 상당히 억제되어 있어 ND를 탐지하기에는 부족하므로, 개별 final state의 세밀한 분석이 필요하다는 것을 보여주는 것.
• 다이얼리츠도에서 공진형 구조와 간섭 효과를 탐지하여 ND 기여를 분리하는 데서 중요성을 규명하는 것.
• CP 위반에 대한 민감도를 향상시키기 위해 T-홀드 모멘트와 분할/비분할 다변량 분석을 사용할 것을 제안하는 것.
• $K\pi$, $K2\pi$, $3K$, $K3\pi$ final state에서 $τ^{-}$와 $τ^{+}$ 붕괴 비율 및 비대칭을 비교함으로써 ND 특징을 식별할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• ND에서 기인하는 CPT-홀드 효과를 탐지하기 위해 $τ^{-}→\nu[K\pi]^{-}$, $τ^{-}→\nu[K2\pi]^{-}$, $τ^{-}→\nu[3K]^{-}$, $τ^{-}→\nu[K3\pi]^{-}$ 붕괴 비율과 CP 비대칭을 그들 $τ^{+}$ 상대편과 비교하는 것.
• 특히 $K^{*}(892)$, $K_{1}(1270)$, $K_{1}(1400)$, $K^{*}(1410)$에 관여하는 공진형 간섭을 탐지하기 위해 다이얼리츠 도표 분포를 사용하여 局소 CP 비대칭을 조사하는 것.
• $K2\pi$ 및 $K3\pi$ final state에서 $\langle\vec{p}_{K}\cdot(\vec{p}_{\pi_{1}}\times\vec{p}_{\pi_{2}})\rangle$와 같은 T-홀드 관측량을 측정하여 ND에서 기인하는 직접 CP 위반을 탐지하는 것.
• 양성 및 음성 입자에 대한 검출 효율을 교차검증함으로써 체계적 오차를 감소시키기 위해 'Miranda Procedure'를 적용하는 것.
• ND 위상과 결합 상수에 민감한 운동량 상관관계를 추출하기 위해 $M_{K\pi}$, $M_{K2\pi}$, $M_{3K}$, $M_{K3\pi}$의 강입자 질량 분포를 분석하는 것.
• 비분할 다변량 및 분할 분석 기법을 활용하여 CP 비대칭에 대한 민감도를 향상시키고, 다양한 공진형 및 비공진형 진폭 기여를 분리하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형(SM)을 초월한 뉴 디나믹스(ND)를 탐지하기 위해 $τ^{-}→\nu[K\pi]^{-}$, $τ^{-}→\nu[K2\pi]^{-}$, $τ^{-}→\nu[3K]^{-}$, $τ^{-}→\nu[K3\pi]^{-}$ 붕괴에서의 CP 비대칭은 유의미한 탐지 수단가 될 수 있는가?
• RQ2 $τ^{-}→\nu[K_{S}\pi^{-}]$ 붕괴에서 전반적인 CP 비대칭이 다체 final state의 개별 비대칭보다 상당히 작은 이유는 무엇인가?
• RQ3 다이얼리츠도에서 T-홀드 모멘트와 공진형 간섭이 ND에서 기인하는 CP 위반에 대한 민감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 벡터 및 아킬리어 벡터 교환(예: $W_{R}$, 채널 히긴스)은 $τ$ 붕괴에서 측정 가능한 CP 비대칭을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 'Miranda Procedure'와 다변량 분석은 다양한 강입자 final state에서 CP 비대칭 측정의 체계적 오차를 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• BaBar 실험이 $A_{\rm CP}(\tau^{-}\to\nu K_{S}\pi^{-}[\geq\pi^{0}])=(-0.36\pm 0.23\pm 0.11)%$를 관측하였으며, 이는 SM 예측 $(0.36\pm 0.01)%$와 2.8 시그마의 편차를 보였다.
• $τ^{-}\to\nu[K\pi]^{-}$ 붕괴에서의 CP 비대칭은 $K^{*}(892)$ 및 $K_{0}^{*}(1430)$ 공진형에 의해 지배되며, 벡터 및 스칼라 형상요소의 기여를 포함한다.
• $τ^{-}\to\nu[K2\pi]^{-}$ 및 $τ^{-}\to\nu[3K]^{-}$에서 $\vec{p}_{K}\cdot(\vec{p}_{\pi_{1}}\times\vec{p}_{\pi_{2}})$를 포함한 T-홀드 모멘트는 ND에서 기인하는 직접 CP 위반을 민감하게 탐지하는 수단이 된다.
• $K^{*}(892)\pi$, $K_{1}(1270)$, $K_{1}(1400)$, $K^{*}(1410)$ 공진형은 다체 붕괴에서 간섭 효과와 ND 특징을 탐지하는 데 핵심적인 역할을 한다.
• SuperB 및 Super-Belle 실험은 충분한 루미너시와 해상도를 확보하여 $K\pi$, $K2\pi$, $3K$, $K3\pi$ final state에서의 CP 비대칭을 고정밀도로 측정할 것으로 기대된다.
• 분할 및 비분할 다변량 분석의 사용은 체계적 오차를 통제하고 다이얼리츠 도표 분포에서 국소적 CP 비대칭을 추출하는 데 핵심적이다.