[논문 리뷰] Testing the Standard Model with CP-asymmetries in flavour-specific non-leptonic decays

T. Gershon, Alexander Lenz외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 23인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 뉴트리노가 아닌 B_s → D_s^+ π^- 붕괴에서의 CP 비대칭을 표준모형(SM)을 초월한 새로운 물리학을 위한 теор적으로 깔끔한 탐지 수 Mittel로 제안한다. 이러한 붕괴들은 B_s–B̄_s 혼합에서의 CP 위반에 민감하며, 이는 SM에서 정확하고 계산 가능한 예측을 갖기 때문에, 불확실한 강입자 행렬원소에 의존하지 않는다. 주요 결과는 LHCb가 CP 비대칭을 정밀하게 측정할 수 있으며, 이는 BSM 물리학에 대한 강력한 영구적 검증을 제공한다.

ABSTRACT

Motivated by recent indications that the rates of colour-allowed non-leptonic channels are not in agreement with their Standard Model expectations based on QCD factorisation, we investigate the potential to study CP asymmetries with these decays. In the Standard Model, these flavour-specific decays are sensitive to CP violation in $B^0_{(s)}$--$\bar{B}^0_{(s)}$ mixing, which is predicted with low uncertainties and can be measured precisely with semileptonic decays. If there are beyond Standard Model contributions to the non-leptonic decay amplitudes, there could be significant enhancements to the CP asymmetries. Measurements of these quantities therefore have potential to identify BSM effects without relying on Standard Model predictions that might be affected by hadronic effects. We discuss the experimental prospects, and note the excellent potential for a precise determination of the CP asymmetry in $\bar{B}_s o D_s^+ \pi^-$ decays by the LHCb experiment.

연구 동기 및 목표

• B-메손 붕괴에서 새로운 물리학에 민감한 이론적으로 깔끔한 관측 가능량을 규명하는 것.
• 색상 허용 비레프톤 붕괴에서 측정된 비율과 SM 예측 간의 괴리 문제를 다루는 것.
• 풍미 특이 붕괴에서의 CP 비대칭을 표준모형의 영구적 검증 수단으로 제안하는 것.
• LHCb가 B_s → D_s^+ π^-에서 CP 비대칭을 고정밀도로 측정할 잠재력을 입증하는 것.
• QCD 인과 분해에서의 불확실성들을 피하기 위해 강입자 행렬원소에 의존하지 않는 방법을 제공하는 것.

제안 방법

• A_f̄ = 0 = Ā_f 조건으로 정의된 풍미 특이 붕괴를 사용하여 혼합으로 인한 CP 위반을 분리한다.
• 시간에 따라 변화하는 붕괴율 형식을 적용하여 혼합 파rameter와 붕괴 진폭을 포함한 CP 비대칭의 표현식을 유도한다.
• 시간에 따라 변화하는 비대칭과 시간 적분 비대칭을 유도하며, 직접적, 간접적, 혼합 비대칭을 포함한다.
• SM에서 A_fs^fs = a_fs^fs인 비대칭에 초점을 맞추며, 이는 낮은 불확실성으로 예측된다.
• A_fs^fs = a_fs^fs 관계를 사용하여 SM에 대한 영구적 검증을 정의하며, 이로 인해 편차가 나타나면 새로운 물리학이 존재함을 시사한다.
• 실험적 가능성 평가를 수행하며, 특히 LHCb가 B_s → D_s^+ π^-에서 A_fs^fs를 고정밀도로 측정할 수 있음을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풍미 특이 비레프톤 붕괴에서의 CP 비대칭은 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 위한 이론적으로 깔끔한 탐지 수 Mittel이 될 수 있는가?
• RQ2 B_s → D_s^+ π^-에서의 CP 비대칭은 붕괴 진폭에서의 새로운 물리학 기여에 얼마나 민감한가?
• RQ3 B_s → D_s^+ π^-에서 A_fs^fs의 측정은 강입자 불확실성에 영향을 받지 않는 표준모형의 정밀한 검증을 가능하게 하는가?
• RQ4 LHCb는 B_s → D_s^+ π^-에서의 CP 비대칭에 대해 기대할 수 있는 실험적 감도는 얼마인가?
• RQ5 혼합된 CP 비대칭의 합은 직접적 비대칭과 혼합 유도 비대칭 기여를 분리할 수 있는가?

주요 결과

• SM은 B_s → D_s^+ π^-에서 a_fs^fs = (2.06 ± 0.18) × 10^−5를 예측하며, 이 값은 0에 가까운데도 낮은 불확실성으로 계산 가능하다.
• 풍미 특이 붕괴에서의 CP 비대칭 A_fs^fs는 SM에서 정확히 a_fs^fs와 동일하므로, 정밀한 영구적 검증 수단이 된다.
• LHCb는 a_s^sl에 대해 ±30 × 10^−5의 정밀도를 확보할 것으로 기대되며, 이는 a_s^fs의 SM 예측를 탐색하는 데에 충분하다.
• 시간 적분 혼합 CP 비대칭 합 ⟨A_mix⟩ + ⟨Ã_mix⟩ ≈ (2A_dir − a_fs^fs)(1 − ρ^2)는 직접적 및 혼합 유도 CP 위반을 직접적으로 탐지할 수 있다.
• 비대칭 A_fs^fs는 강입자 행렬원소에 독립적이므로 QCD 불확실성에 강건하다.
• B_s → D_s^+ π^-에서 A_fs^fs의 측정은 새로운 물리학에 대한 강력하고 모델에 의존하지 않는 검증 수단이 되며, 비레프톤 붕괴 비율에서의 괴리 현상이 계속된다면 尤히 유용하다.