[논문 리뷰] Search for CP violation in $D^{\pm} ightarrow K^0_{\mathrm{S}} K^{\pm}$ and $D^{\pm}_{s} ightarrow K^0_{\mathrm{S}} \pi^{\pm}$ decays

R. Aaij, B. Adeva외 698명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 30인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 LHCb 실험에서 확보한 3 fb$^{-1}$의 $pp$ 충돌 데이터를 사용하여 Cabibbo 억제된 $D^\pm \to K^0_\mathrm{S} K^\pm$ 및 $D^\pm_s \to K^0_\mathrm{S} \pi^\pm$ 붕괴에서 $CP$ 위반 여부를 탐색한다. 측정된 $CP$ 위반 비대칭성은 0과 일치한다: $\mathcal{A}_{CP}^{D^\pm \to K^0_\mathrm{S} K^\pm} = (+0.03 \pm 0.17 \pm 0.14)\%$ 및 $\mathcal{A}_{CP}^{D^\pm_s \to K^0_\mathrm{S} \pi^\pm} = (+0.38 \pm 0.46 \pm 0.17)\%$, 이는 현재까지 가장 정밀한 측정 결과이며 $CP$ 위반에 대한 증거 없음.

ABSTRACT

A search for \CP violation in Cabibbo-suppressed $D^{\pm} ightarrow K^0_{\mathrm{S}} K^{\pm}$ and $D^{\pm}_{s} ightarrow K^0_{\mathrm{S}} \pi^{\pm}$ decays is performed using $pp$ collision data, corresponding to an integrated luminosity of 3~fb$^{-1}$, recorded by the LHCb experiment. The individual $CP$-violating asymmetries are measured to be \begin{eqnarray*} \mathcal{A}_{CP}^{D^{\pm} ightarrow K^0_{\mathrm{S}} K^{\pm}} & = & (+0.03 \pm 0.17 \pm 0.14) \% \mathcal{A}_{CP}^{D^{\pm}_{s} ightarrow K^0_{\mathrm{S}} \pi^{\pm}} & = & (+0.38 \pm 0.46 \pm 0.17) \%, \end{eqnarray*} assuming that $CP$ violation in the Cabibbo-favoured decays is negligible. A combination of the measured asymmetries for the four decay modes $D^{\pm}_{(s)} ightarrow K^0_{\mathrm{S}} K^{\pm}$ and $D^{\pm}_{(s)} ightarrow K^0_{\mathrm{S}} \pi^{\pm}$ gives the sum \[ \mathcal{A}_{CP}^{D^{\pm} ightarrow K^0_{\mathrm{S}} K^{\pm}} + \mathcal{A}_{CP}^{D^{\pm}_{s} ightarrow K^0_{\mathrm{S}} \pi^{\pm}} = (+0.41 \pm 0.49 \pm 0.26) \%. \] In all cases, the first uncertainties are statistical and the second systematic. The results represent the most precise measurements of these asymmetries to date and show no evidence for CP violation.

연구 동기 및 목표

• 고정밀도 데이터를 사용하여 Cabibbo 억제된 $D^\pm \to K^0_\mathrm{S} K^\pm$ 및 $D^\pm_s \to K^0_\mathrm{S} \pi^\pm$ 붕괴에서 $CP$ 위반 여부를 탐색하기 위해.
• 이 붕괴 모드에서의 $CP$ 위반 비대칭성을 통계적 및 체계적 정밀도 향상으로 측정하기 위해.
• 표준 모형 예측인 이러한 Cabibbo 유리한 붕괴에서의 $CP$ 위반이 근본적으로 없음을 비교하여 측정된 비대칭성을 0과 비교함으로써 검증하기 위해.
• 네 가지 붕괴 모드($D^\pm_{(s)} \to K^0_\mathrm{S} K^\pm$ 및 $D^\pm_{(s)} \to K^0_\mathrm{S} \pi^\pm$)의 결과를 통합하여 잠재적 $CP$ 위반에 대한 감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 분석은 대형 하드론 충돌기에서 LHCb 실험이 확보한 3 fb$^{-1}$의 $pp$ 충돌 데이터를 사용한다.
• 운동역학적 및 기하학적 조건(예: $\pi^+ \pi^-$ 붕괴 점을 통한 $K^0_\mathrm{S}$ 재구성 포함)을 기반으로 $D^\pm$ 및 $D^\pm_s$ 붕괴를 선별한다.
• $CP$ 위반 비대칭성은 $\mathcal{A}_{CP} = (\Gamma(D \to f) - \Gamma(\bar{D} \to \bar{f})) / (\Gamma(D \to f) + \Gamma(\bar{D} \to \bar{f}))$로 정의되며, 여기서 $f$는 최종 상태를 나타낸다.
• 통계적 불확실성은 토이 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 추정하고, 체계적 불확실성은 제어 샘플 및 분석 선택 조건의 변형을 통해 평가한다.
• 통합 비대칭성은 개별 $D^\pm \to K^0_\mathrm{S} K^\pm$ 및 $D^\pm_s \to K^0_\mathrm{S} \pi^\pm$ 측정치의 가중 평균으로 계산된다.
• Cabibbo 유리한 붕괴에서의 $CP$ 위반이 무시 가능하다는 가정을 바탕으로, Cabibbo 억제된 모드에서의 $CP$ 위반 신호 해석을 위해 결과를 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cabibbo 억제 붕괴인 $D^\pm \to K^0_\mathrm{S} K^\pm$에서 $CP$ 위반이 증거로 나타나는가?
• RQ2 $D^\pm_s \to K^0_\mathrm{S} \pi^\pm$ 붕괴 모드에서 $CP$ 위반의 크기는 얼마인가?
• RQ3 $D^\pm \to K^0_\mathrm{S} K^\pm$ 및 $D^\pm_s \to K^0_\mathrm{S} \pi^\pm$ 붕괴에서 측정된 $CP$ 비대칭성은 실험적 불확실성 내에서 0에서 벗어나는가?
• RQ4 네 가지 붕괴 모드의 조합 감도는 $CP$ 위반에 대해 얼마이며, 비대칭성의 합은 비제로 신호를 나타내는가?

주요 결과

• $D^\pm \to K^0_\mathrm{S} K^\pm$의 측정된 $CP$ 위반 비대칭성은 $\mathcal{A}_{CP}^{D^\pm \to K^0_\mathrm{S} K^\pm} = (+0.03 \pm 0.17 \pm 0.14)\%$이며, 0과 일치한다.
• $D^\pm_s \to K^0_\mathrm{S} \pi^\pm$의 측정된 $CP$ 위반 비대칭성은 $\mathcal{A}_{CP}^{D^\pm_s \to K^0_\mathrm{S} \pi^\pm} = (+0.38 \pm 0.46 \pm 0.17)\%$이며, 역시 0과 일치한다.
• 네 가지 붕괴 모드의 통합 비대칭성 합은 $\mathcal{A}_{CP}^{\text{sum}} = (+0.41 \pm 0.49 \pm 0.26)\%$이며, 0에서의 유의미한 이탈이 없다.
• 결과는 현재까지 이러한 $CP$ 비대칭성에 대한 가장 정밀한 측정 결과이며, 고도의 재구성 및 캘리브레이션 기술을 통해 통계적 및 체계적 불확실성이 최소화되었다.
• 모든 연구된 붕괴 모드에서 $CP$ 위반에 대한 증거는 관측되지 않았으며, 이는 이러한 Cabibbo 억제 붕괴에서 표준 모형 예측인 작은 $CP$ 위반을 지지한다.
• 달 đạt한 정밀도는 $D$ 메손 혼합과 표준 모형을 초월한 $CP$ 위반에 대한 새로운 물리 기여에 대한 더 견고한 제약 조건을 가능하게 한다.