[논문 리뷰] Theoretical perspective on rare and radiative charm decays

Svjetlana Fajfer|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 07.

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한 줄 요약

이 논문은 표준모형 내외에서 희귀 및 복사 쿼크 붕괴를 검토하며, 주로 $c \to u\gamma$ 및 $c \to ul^{+}l^{-}$ 전이에 초점을 맞춘다. 포함 및 배제 붕괴 모드를 분석하고 장거리 기여가 지배적임을 규명하며, 특히 $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$ 및 $D \to X_u\ell^{+}\ell^{-}$에서 CP 위반과 뉴트론 물리 신호를 평가한다. 특정 시나리오 하에서 뉴트론 물리 효과는 1–3% 수준에 도달할 수 있다.

ABSTRACT

Recent experimental bounds on rare charm decays offer a chance to improve our theoretical understanding of physics present in $c o u γ$ and $c o u l^+ l^-$ transitions. Standard Model and New Physics contributions are reviewed for inclusive and exclusive $D o Vγ$, $D^+ o π^+ l^+ l^-$, $D o l^+ l^-$ decays. Observables important for search of New Physics are discussed. Possibility to observe CP violation in rare charm decays is questioned.

연구 동기 및 목표

• 희귀 쿼크 붕괴, 특히 $c \to u\gamma$ 및 $c \to ul^{+}l^{-}$ 전이에서 뉴트론 물리(NP)의 잠재적 가능성을 평가하기 위해.
• 희귀 쿼크 붕괴에서 단거리 기여를 압도하는 장거리 역학의 역할을 평가하기 위해.
• 특히 $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$에서 $\phi$ 공명 부근에서의 CP 위반 관측 가능성 조사하기 위해.
• 차별적 및 부분 폭의 CP 비대칭성과 같은 모형 독립적 관측 가능성을 제공하기 위해.
• LHCb의 $D \to \mu^{+}\mu^{-}$ 및 $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$ 데이터로부터 윌슨 계수에 대한 실험적 한계를 활용해 NP를 제약하기 위해.

제안 방법

• 효율적인 저에너지 라그랑지안을 사용하여 $C_7$, $C_9$, $C_{10}$ 윌슨 계수를 포함해 $c \to u\gamma$ 및 $c \to ul^{+}l^{-}$ 전이를 기술한다.
• QCD 합 규칙과 벡터 메손 우세 모델을 적용하여 배제적 $D \to V\gamma$ 붕괴를 모델링하고 분해율을 예측한다.
• 모형 독립적 탐사 도구로 차별적 직접 CP 비대칭성 $a_{\mathrm{CP}}(\sqrt{q^2})$ 및 부분 폭의 CP 비대칭성 $A_{\mathrm{CP}}(m_1,m_2)$ 를 도입한다.
• 특히 $\phi$ 공명 부근에서 비가역적 4-quark 연산자를 통해 장거리 기여를 평가한다.
• dipole 및 전방-후방 레프톤 비대칭성과 같은 각도 비대칭성을 평가하여 $C_9$ 및 $C_{10}$ 뉴트론 물리 기여에 민감한 신호를 분석한다.
• LHCb의 실험적 한계를 활용하여 효과적 윌슨 계수를 제약하고 $D \to K^+K^-\gamma$, $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$, $D \to X_u\ell^{+}\ell^{-}$에서의 뉴트론 물리 탐색 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희귀 쿼크 붕괴인 $D \to X_u\ell^{+}\ell^{-}$ 및 $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$에서 뉴트론 물리 신호를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 희귀 쿼크 붕괴에서 장거리 효과가 단거리 기여를 얼마나 압도하는가?
• RQ3 $D \to P\ell^{+}\ell^{-}$ 붕괴에서 특히 $\phi$ 공명 부근에서 CP 위반이 관측 가능한가?
• RQ4 희귀 쿼크 붕괴에서 뉴트론 물리 신호를 탐지할 수 있는 모형 독립적 관측 가능성은 무엇인가?
• RQ5 $D^0$-$\overline{D}^0$ 혼합 및 B/K 물리에서의 제약이 쿼크 붕괴에서의 뉴트론 물리 결합에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 장거리 기여가 희귀 쿼크 붕괴에서 지배적이며, $BR(D \to X_u e^+e^-)^{LD} \sim \mathcal{O}(10^{-6})$로, 표준모형의 단거리 붕괴율인 $3.7 \times 10^{-9}$ 를 뛰어넘는다.
• $D^0 \to \overline{K}^{*0}\gamma$의 분해율은 $1.5 \times 10^{-4}$로 예측되며, LHCb 실험 결과인 $3.27(34) \times 10^{-4}$ 와 일치한다.
• $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$에서 차별적 CP 비대칭성 $a_{\mathrm{CP}}$ 는 $\phi$ 공명 부근에서 CP 보존 및 CP 위반 진폭 간 간섭으로 인해 최대 $1\%$에 도달할 수 있다.
• 부분 폭의 CP 비대칭성 $A_{\mathrm{CP}}$ 는 $\phi$ 공명 영역에서 몇 퍼센트 수준에 도달하여 뉴트론 물리 탐지에 민감한 탐사 도구가 된다.
• $Z'$-강화 및 초대칭 시나리오 하에서 $C_9$ 및 $C_{10}$ 가 맛 제약과 호환될 경우, $D^0 \to h_1 h_2 \ell^{+}\ell^{-}$에서 뉴트론 물리 효과는 약 $\sim 1\%$ 수준에 도달할 수 있다.
• LHCb의 $D \to \mu^{+}\mu^{-}$ 및 $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$에 대한 실험적 한계는 효과적 윌슨 계수를 제약하며, $D \to K^+K^-\gamma$ 및 $D \to X_u\ell^{+}\ell^{-}$에서 뉴트론 물리 신호의 가능성을 시사한다.