[논문 리뷰] Triple product asymmmetries in $\Lambda_b$ and $\Xi_b$ decays

Michael Gronau, Jonathan L. Rosner|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 쿠아르드를 포함한 페르미온(final states)를 포함하는 4체 붕괴에서 CP 위반 삼중 곱 비대칭성에 대해 연구한다. 펜그린 및 트리 앰플리튜드의 차이를 이용하고, 공명 상태를 통해 최종 상태 위상을 조절함으로써, 저자들은 이러한 비대칭성이 CP 위반을 깔끔하게 탐지할 수 있음을 보여주며, 캐러드 붕괴를 통한 제어로 검출기 및 생성률 불확실성을 최소화한다.

ABSTRACT

The LHCb experiment is capable of studying four-body decays of the $b$-flavored baryons $\\Lambda_b$ and $\\Xi_b^0$ to charmless final states consisting of charged pions, kaons, and baryons. We remark on the search in such modes for CP-violating triple product asymmetries and for CP rate asymmetries relative to decays involving charmed baryons.

연구 동기 및 목표

• CP 위반 삼중 곱 비대칭성을 $λ_b$ 및 $ϩ_b^0$ 바리온의 4체 붕괴에서 캐러드를 포함하지 않는 최종 상태로 식별하고 분석한다.
• 바리온과 반바리온의 비균형 생성률로 인한 실험적 편향을 줄이기 위해, 캐러드를 포함하지 않는 붕괴와 캐러드 붕괴에서의 CP 비대칭성을 비교한다.
• U-스핀 대칭성을 활용하여 프로톤과 $Σ^+$ 하이퍼온을 포함하는 붕괴를 연결함으로써, CP 비대칭성의 체계적 비교를 가능하게 한다.
• 4체 붕괴에서 발생하는 공명 두 개의 붕괴 상태가 얼마나 큰 측정 가능한 최종 상태 위상을 생성할 수 있는지 탐색한다. 이는 CP 위반에 필수적이다.
• LHCb 실험에서 바리온 붕괴에서의 정밀한 CP 비대칭성 측정을 통해 새로운 물리학을 탐색할 수 있는 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• U-스핀 대칭성을 이용해 앰플리튜드를 연결함으로써, 프로톤, $Σ^+$, 양성자, 케론을 포함하는 최종 상태로의 $λ_b$ 및 $ϩ_b^0$의 4체 붕괴를 분석한다.
• $Δ S = 0$ 및 $|Δ S| = 1$ 전이에 대해 펜그린 및 트리 레벨 앰플리튜드를 고려하며, 상대적인 약한 위상은 주로 $V_{ub}$에 의해 지배되고, 강한 위상은 공명 구조에 의해 조절된다.
• CP 위반 관측량으로 삼중 곱 비대칭성 $\mathcal{A}_T = \frac{1}{2}(A_T - \bar{A}_T)$ 를 사용한다. 여기서 $A_T$ 는 바리온 붕괴에서의 비대칭성이고, $\bar{A}_T$ 는 반입자 붕괴에서의 비대칭성이다.
• 붕괴 체인에서 두 개의 입자 조합으로 형성된 공명 상태(예: $N^{*0}$, $\rho^0$, $\bar{K}^{*0}$)를 분석하여, 거의 $180^\circ$에 가까운 큰 측정 가능한 위상 변화를 생성한다.
• 펜그린 및 트리 앰플리튜드의 붕괴 위상 구조를 비교함으로써, 공명 상태 생성에 따른 초기 위상 구성이 CP 위반에 민감한 간섭 효과를 유도함을 보여준다.
• 캐러드를 포함하지 않는 최종 상태와 캐러드를 포함하는 최종 상태 간의 CP 비율 비대칭성의 차이를 이용하여, 검출기 및 생성률 편향을 크게 줄일 수 있음을 제안한다. 이는 진정한 CP 위반에 대한 감도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CP 위반 삼중 곱 비대칭성은 $λ_b$ 및 $ϩ_b^0$ 바리온의 4체 붕괴에서 깔끔한 CP 위반 탐지 수단이 될 수 있는가?
• RQ2 캐러드를 포함하지 않는 붕괴에서 펜그린 및 트리 앰플리튜드의 공명 상태 생성 위상 구조는 어떻게 다른가? 이러한 차이는 측정 가능한 CP 위반 위상을 생성할 수 있는가?
• RQ3 비균형 바리온-반바리온 생성률로 인한 실험적 편향으로부터 캐러드를 포함하지 않는 붕괴에서의 CP 비대칭성을 얼마나 잘 분리할 수 있는가?
• RQ4 U-스핀 대칭성은 프로톤과 $Σ^+$ 하이퍼온을 포함하는 붕괴에서의 CP 비대칭성을 어떻게 연결하는가? 이는 실험 측정에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 4체 붕괴에서 발생하는 공명 두 개의 붕괴 상태는 관측 가능한 CP 위반 삼중 곱 비대칭성을 생성할 정도로 충분한 위상 변화를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 펜그린 및 트리 앰플리튜드 간의 간섭으로 인해, 서로 다른 약한 위상과 강한 위상을 지닌 경우, 캐러드를 포함하지 않는 $λ_b$ 및 $ϩ_b^0$의 4체 붕괴에서 삼중 곱 비대칭성 $\mathcal{A}_T$ 는 비영일 것으로 예상된다.
• 두 개의 붕괴 상태에서의 브라이트-반응 공명을 스캔함으로써, 펜그린 및 트리 앰플리튜드 간의 상대적인 강한 위상은 거의 $180^\circ$ 범위에서 변화할 수 있으며, 이는 CP 위반 잠재력의 최대화에 기여한다.
• 프로톤을 포함하는 붕괴와 $Σ^+$ 하이퍼온을 포함하는 붕괴는 U-스핀 대칭성에 의해 관련되며, 그 통합된 CP 비율 비대칭성은 크기는 같고 부호는 반대임을 예측한다.
• 캐러드를 포함하지 않는 최종 상태와 캐러드를 포함하는 최종 상태에서의 CP 비대칭성을 비교함으로써, 동일한 최종 상태 입자를 두 경우 모두 사용함으로써 검출기 및 생성률 편향을 크게 줄일 수 있다.
• $b \to u\bar{u}s$ 전이의 트리 앰플리튜드는 $b \to s$ 펜그린 앰플리튜드와는 다른 공명 패턴을 생성하며, 이는 초기 위상 구성이 다르게 되어 CP 위반 간섭을 강화한다.
• 예를 들어 $(p\pi^-)(\pi^+K^-)$ 또는 $(p\bar{p})(pK^-)$ 와 같은 준두개 붕괴는 질량 분포를 지배할 가능성이 높으며, 헬리시티 앰플리튜드 매개변수화를 통해 CP 비대칭성을 분석하는 데 유용하다.