[논문 리뷰] Resonance enhancement of Charm CP

Amarjit Soni|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 45인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 $f_0(1710)$ 스칼라 공명이 1723 MeV 부근에서 펜텀-트리 간섭을 통해 동시에 강한 (CP 보존) 및 약한 (CP 기저) 위상을 제공함으로써 채르미 분해에서 직접 CP 위반을 강화시킨다고 제안한다. 이 메커니즘은 레이저-관측된 $\Delta A_{CP} = (-15.4 \pm 2.9) \times 10^{-4}$ 를 공명 매개 펜텀 진폭을 통해 설명하며, $\eta(1760)$ 는 다입자 final 상태와 방사선 분해인 $D^0 \to \gamma\rho, \gamma\phi$ 와 같은 청소가 잘 되는 SM 테스트를 가능하게 할 수 있다.

ABSTRACT

It is suggested that a nearby $0^{++}$ resonance, $f_0$(1710) of mass $m_f=1723 MeV$ and width $Γ=139$ MeV is playing a significant role in efficiently providing the strong (CP-conserving) and weak (CP-odd) phase simultaneously in the recently observed direct CP asymmetry $ΔA_{CP}$ by the LHCb collaboration. The direct CP arises by the well known penguin-tree interference wherein the virtual b-quark in the c-u penguin is the source of the Kobayashi-Maskawa CP-odd phase, $γ$, in the SM. Loop (penguin) corrections generate left-right operators enhancing coupling to the $0^{++}$ scalar resonance. The scalar resonance is likely rich in gluonic content perhaps leading to a better understanding of large breaking of flavor SU(3) that has been known for a long-time. Approximate calculations give a rough understanding of the observed size of the CP asymmetry. The mechanism leads to several interesting implications which can be experimentally studied and tested. Moreover, in an analogous fashion to $f_0$, 4-quark operators also generate $P imes P$, P being a pseudo-scalar bilinear, which may be dominated by the nearby $η(1760)$ of width about 250 MeV that can influence final states such as 4 $π$'s, $η^{\prime}(η) + π^+ + π^-$ etc which could exhibit CP violating triple correlation or energy asymmetries. We also briefly discuss CP violation in radiative charm decays and suggest that simple final states $γρ$ and $γϕ$ are best suited for sizeable asymmetries as well as providing precise tests of the SM.

연구 동기 및 목표

• LHCb에서 최근 관측한 채르미 분해에서의 직접 CP 비대칭성 $\Delta A_{CP} = (-15.4 \pm 2.9) \times 10^{-4}$ 를 표준모형 내에서 설명하기 위해.
• 특히 $f_0(1710)$ 와 $\eta(1760)$ 와 같은 인접한 공명이 채르미 분해에서 CP 보존 및 CP 기저 위상을 모두 매개하는 역할를 규명하기 위해.
• 정밀한 표준모형 테스트를 위한 측정 가능한 CP 비대칭성을 예측하기 위해, $D^0 \to \gamma\rho$ 와 $D^0 \to \gamma\phi$ 와 같은 방사선 채르미 분해를 대상으로 하기 위해.
• 공명 강화가 채르미 분해에서 장기적인 문제인 맛 SU(3) 위반과 비추상적 QCD 역학을 해결하는 데 기여할 수 있음을 제안하기 위해.

제안 방법

• 채르미 분해에서 펜텀-트리 간섭을 사용하며, c-u 펜텀에서 가상의 b-쿼크가 Kobayashi-Maskawa CP 기저 위상 $\gamma \approx 73.5^\circ$ 를 생성한다.
• $f_0(1710)$ 공명을 최종 상태 상호작용에 의해 강한 (CP 보존) 위상을 제공하는 원천으로 모델링하며, 위상 이동 $\delta_{st}$ 를 캡처하는 폭 $\Gamma = 139$ MeV 를 사용한다.
• QCD 펜텀 연산자 $Q_5, Q_6$ 에 대해 Fierz 재배열을 적용하여 스칼라 및 페시오스칼라 전류를 유도하며, 이는 $0^{++}$ 와 $0^{-+}$ 공명에 결합한다.
• $\eta(1760)$ 는 폭 $\sim 250$ MeV 를 지닌다. 이는 $4\pi$, $\eta' + \pi^+\pi^-$ 와 같은 다입자 final 상태를 지배하며, CP 위반 삼중상관관계가 나타날 수 있다.
• 방사선 분해인 $D^0 \to \gamma\rho$, $D^0 \to \gamma\phi$ 는 약한 허무화 기여와 CPT 기저 부호 구조로 인해 CP 비대칭성에 최적의 채널로 분석된다.
• 정밀한 표준모형 예측을 위해 라티스 QCD와 현상학적 방법을 제안하며, $\alpha_{\gamma\rho}$ 와 $\alpha_{\gamma\phi}$ 를 계산하고, $\Delta A^\gamma_{CP} = \alpha_{\gamma\phi} - \alpha_{\gamma\rho}$ 는 주요 관측 가능량으로 간주된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHCb에서 관측한 채르미 분해에서의 직접 CP 비대칭성 $\Delta A_{CP} = (-15.4 \pm 2.9) \times 10^{-4}$ 는 표준모형 내에서 어떻게 설명될 수 있는가?
• RQ2 인접한 공명체, 특히 $f_0(1710)$ 과 $\eta(1760)$ 는 채르미 분해에서 CP 보존 및 CP 기저 위상을 모두 매개하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 예를 들어 $D^0 \to \gamma\rho$ 와 $D^0 \to \gamma\phi$ 와 같은 방사선 채르미 분해에서 측정 가능한 크기의 CP 비대칭성이 나타날 수 있는가? 이는 정밀한 표준모형 테스트에 적합한가?
• RQ4 공명 강화를 통한 $f_0(1710)$ 과 $\eta(1760)$ 는 채르미 분해에서 오랫동안 지속된 맛 SU(3) 위반 문제를 어떻게 해결하는가?
• RQ5 이 공명체는 다입자 final 상태에서 에너지 비대칭성과 삼중상관관계 관측 가능량에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $f_0(1710)$ 공명은 질량 $m_f = 1723$ MeV 와 폭 $\Gamma = 139$ MeV 를 지닌다. 이는 최종 상태 상호작용를 통해 강한 (CP 보존) 위상을 제공하며, 관측된 $\Delta A_{CP}$ 를 위해 필수적이다.
• 가상의 b-쿼크를 포함한 펜텀 진폭은 Kobayashi-Maskawa CP 기저 위상 $\gamma \approx 73.5^\circ$ 를 생성하며, 트리 진폭과 간섭하여 직접 CP 위반을 유도한다.
• $\eta(1760)$ 공명은 폭 $\sim 250$ MeV 를 지닌다. 이는 $4\pi$ 와 $\eta' + \pi^+\pi^-$ 와 같은 다입자 final 상태를 지배하며, 여기서 CP 위반 삼중상관관계가 나타날 수 있다.
• 방사선 분해인 $D^0 \to \gamma\rho$ 와 $D^0 \to \gamma\phi$ 는 크기가 상당한 CP 비대칭성을 예측하며, 더 작은 분해율과 $\bar{u}u \to \bar{s}s$ 억제로 인해 $\alpha_{\gamma\rho}$ 가 $\alpha_{\gamma\phi}$ 보다 클 것으로 기대된다.
• $\Delta A^\gamma_{CP} = \alpha_{\gamma\phi} - \alpha_{\gamma\rho}$ 는 측정 가능할 것으로 예상되며, 이는 정밀한 CPT 일관성 있는 관측 가능량을 제공하여 표준모형을 테스트하는 데 유용하다.
• 라티스 QCD와 현상학적 방법은 $\alpha_{\gamma\rho}$ 와 $\alpha_{\gamma\phi}$ 를 정밀하게 계산하는 데 유용한 도구로 확인되었으며, 이는 뉴피직의 고정밀도 테스트를 가능하게 한다.