[논문 리뷰] Can FCNC transition $c o ul^+l^-$ be seen in $D o Vl^+l^-$ decays?

Saša Prelovšek, Svjetlana Fajfer외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 07. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 뉘앙스 변화 중성미가(Cabibbo-suppressed) $c \to u\ell^+\ell^-$ 전이—신물리에 민감한—가 $D \to V\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 관측될 수 있는지 조사한다. 표준모형에서, 단거리 FCNC 기여는 장거리 효과보다 세 배 정도 작으며, 이는 카비보 억제 붕괴에서 검출 불가능하다. 그러나 $10^{-7}$보다 훨씬 큰 분해비율은 새로운 물리의 신호가 될 수 있다.

ABSTRACT

The decays $D o Vl^+l^-$ present in principle the opportunity to observe the short distance FCNC transition $c o ul^+l^-$, which is sensitive to the physics beyond the Standard Model. We analyze the $D o V l^+ l^- $ decays within the Standard Model, where in addition to the short distance dynamics also the long distance dynamics is present. The short distance contribution due to $c o ul^+l^-$ transition, which is present only in the Cabibbo suppressed decays, is found to be three orders of magnitude smaller than the long distance contribution. The branching ratios well above $10^{-7}$ for Cabibbo suppressed decays could signal new physics. The most frequent decays are the Cabibbo allowed decays $D_s^+ oρ^+μ^+μ^-$ and $D^0 o\bar K^{*0}μ^+μ^-$, which are expected at the branching ratios of $3\cdot 10^{-5}$ and $1.7\cdot 10^{-6}$, respectively. These rates are not much lower than the present experimental upper limit.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 내에서 $D \to V\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 맛 변화 중성미(FCNC) $c \to u\ell^+\ell^-$ 전이의 관측 가능성 평가.
• 이 붕괴에서 단거리(SD) FCNC 기여와 장거리(LD) 기여를 분리하는 것.
• 카비보 억제 $D \to V\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 분해비율이 $10^{-7}$를 훨씬 초과할 경우 표준모형을 넘어서는 물리의 징후가 될 수 있는지 판단.
• 실험 제한과 비교하기 위한 주요 $D \to V\ell^+\ell^-$ 모드의 이론적 예측 제공.

제안 방법

• 표준모형 내에서 단거리 및 장거리 역학을 포함한 $D \to V\ell^+\ell^-$ 붕괴 분석.
• 효과적 해밀토니안 기법을 사용해 가상의 $W^\pm$ 및 $Z^0$ 교환를 통한 $c \to u\ell^+\ell^-$ 전이의 단거리 진폭 평가.
• 카비보 억제 및 카비보 허용 모드의 분해비율 계산, 단거리 및 장거리 기여 간 간섭 고려.
• 실험적 상한을 이용해 FCNC 신호의 검출 가능성에 대한 제약 설정.
• 예측된 분해비율을 현재의 실험 제약과 비교하며, 특히 $D_s^+ \to \rho^+ \mu^+\mu^-$ 및 $D^0 \to \bar{K}^{*0} \mu^+\mu^-$에 중점을 둔다.
• 효과적 장 이론 방법을 적용해 FCNC 기여를 분리하고 주로 장거리 효과 대비 크기를 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 내에서 $D \to V\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 단거리 FCNC $c \to u\ell^+\ell^-$ 전이를 관측할 수 있는가?
• RQ2 $D \to V\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 단거리 FCNC 진폭의 크기는 장거리 기여와 비교해 얼마나 되는가?
• RQ3 카비보 억제 $D \to V\ell^+\ell^-$ 붕괴의 예측 분해비율은 무엇이며, 현재 실험에서 측정 가능한가?
• RQ4 카비보 억제 모드에서 분해비율이 $10^{-7}$보다 훨씬 높을 경우, 표준모형을 넘어서는 새로운 물리의 징후가 될 수 있는가?
• RQ5 $D_s^+ \to \rho^+ \mu^+\mu^-$ 및 $D^0 \to \bar{K}^{*0} \mu^+\mu^-$ 붕괴 모드에서 지배적인 기여는 단거리인지 장거리인지?

주요 결과

• 표준모형 내에서 $D \to V\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 $c \to u\ell^+\ell^-$ 전이의 단거리 FCNC 기여는 장거리 기여보다 세 배 정도 작다.
• 카비보 허용 붕괴인 $D_s^+ \to \rho^+ \mu^+\mu^-$의 분해비율은 $3 \times 10^{-5}$로 예측되며, $D^0 \to \bar{K}^{*0} \mu^+\mu^-$는 $1.7 \times 10^{-6}$로 예측된다.
• 이 예측된 분해비율은 현재 실험 상한보다 유의미하게 낮지 않으며, 통계 향상으로 측정 가능할 것으로 보인다.
• 카비보 억제 $D \to V\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 분해비율이 $10^{-7}$보다 훨씬 높을 경우, 표준모형을 넘어서는 새로운 물리의 징후가 될 수 있다.
• 장거리 역학이 단거리 FCNC 진폭보다 지배적이며, 이로 인해 현재 이론적·실험적 프레임워크에서 단거리 기여는 관측 불가능하다.
• 연구는 FCNC 전이가 이론적으로 존재하지만, 표준모형 내에서 장거리 효과에 의해 압도되어 신호가 묻히기 때문에 관측 불가능하다고 결론 내린다.