[論文レビュー] Constructing CP-Odd Observables

G. Valencia|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 1994

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、高エネルギー物理学およびフラーバー物理学におけるCP奇性観測量の構築のための包括的なフレームワークを提供し、標準模型を超えたCP対称性の破れの実験的シグネチャーに焦点を当てる。トップクォーク崩壊、ハイパーヨン崩壊、$e^+e^-$衝突などの過程におけるCP奇性相関の特定方法を詳細に説明し、完全なフラーバー識別が不要な状況でも、$10^{-3}$オーダーの非対称性が達成可能であることを示しており、衝突実験における包括的CP対称性の破れのテストを可能にする。

ABSTRACT

In these lectures we review the general features necessary to construct $\cp$ odd observables and study illustrative examples. We present in some detail the case of $\cp$ violation in hyperon decays. We survey different observables sensitive to $\cp$ violating new physics, concentrating on the search for electric-dipole moments in high energy experiments.

研究の動機と目的

• 標準模型を超えた新しい物理に敏感なCP奇性観測量を系統的に同定・構築するためのアプローチを開発すること。
• 完全なフラーバー識別が困難または不可能な高エネルギー実験においてCP対称性の破れを検出する課題に対処すること。
• 特定の最終状態粒子の識別を要しない$T$奇性・CP奇性観測量を用いて、インクルーシブCP対称性の破れ非対称性の実現可能性を検討すること。
• 角運動量相関やエネルギー非対称性などのさまざまな観測量が、トップクォークおよび$W$ボソン崩壊におけるCP対称性の破れ位相にどれほど敏感であるかを評価すること。
• CP対称性の破れの測定可能でモデルに依存しないシグネチャーを同定することで、将来の衝突実験における探索の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 多粒子最終状態における運動量およびスピン相関から、CP奇性観測量を構築するための離散的対称性変換（特にCPおよびT）を用いる。
• $e^+e^-$および$p\bar{p}$衝突過程における${\rm CP}$変換を適用し、対称な初期状態スピン密度行列がCP奇性相関を許容することを示す。
• $J_1 = \vec{p}_{\bar{t}} \cdot \vec{p}_b \times \vec{p}_\ell$および$J_2 = \vec{p}_t \cdot \vec{p}_{\bar{b}} \times \vec{p}_{\bar{\ell}}$といったCP奇性観測量を導出する。これらはCP変換で$J_1 \leftrightarrow -J_2$と変換する。
• ジェットの速さや太さによる順序付けを用いた「インクルーシブ」CPテストの概念を導入し、フラーバー・タグなしで$T$奇性・CP奇性観測量（例：$\mathcal{O} = \vec{p}_1 \cdot \vec{p}_2 \times \vec{p}_3$）を用いることを可能にする。
• CP対称性の破れ磁気モーメントや有効結合をモデル化するため、有効場理論的手法（木レベルおよび1ループ演算子を含む）を適用する。
• CP対称性の破れ位相に対するユニタリティの上限を用いて、トップクォーク崩壊における最大非対称性を推定し、$|\Delta N_{LR}| \sim 10^{-3}$が得られることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー物理学およびフラーバー物理学実験において、CP奇性観測量をどのように系統的に構築できるか？
• RQ2 フラーバー識別が実験的に困難な状況で、CP対称性の破れを検出するための最小限の要件は何か？
• RQ3 ジェットの順序付けに基づく非対称性といったインクルーシブ観測量は、完全な最終状態再構成を要しない状況で、CP対称性の破れのプローブとしてどの程度有効に機能するか？
• RQ4 CP対称性の破れ位相に対するユニタリティの上限のもとで、トップクォークおよび$W$ボソン崩壊におけるCP対称性の破れ非対称性の期待値はどの程度か？
• RQ5 $e^+e^-$衝突におけるCP奇性相関（例：$t\bar{t}g$生成）は、どのように新しい物理のモデルに依存しないシグネチャーを提供するか？

主な発見

• CP奇性観測量である$J_1 = \vec{p}_{\bar{t}} \cdot \vec{p}_b \times \vec{p}_\ell$および$J_2 = \vec{p}_t \cdot \vec{p}_{\bar{b}} \times \vec{p}_{\bar{\ell}}$はCP変換で$J_1 \leftrightarrow -J_2$と変換され、CP奇性非対称性の構築が可能になる。
• ジェットの速さによる順序付け（例：速さ順）を用いたインクルーシブCPテストにより、フラーバー識別を要せず、$T$奇性・CP奇性観測量（例：$\mathcal{O} = \vec{p}_1 \cdot \vec{p}_2 \times \vec{p}_3$）を用いることができる。
• 数値的推定により、CP対称性の破れ位相のユニタリティ上限のもとで、トップクォーク崩壊におけるCP対称性の破れ非対称性が$10^{-3}$オーダーで達成可能であることが示された。
• $t \to b \ell \nu$崩壊におけるレプトンエネルギー非対称性は、トップクォークのスピン極化に関する情報を保持しており、$10^{-3}$オーダーのCP奇性信号を示す可能性がある。
• $e^+e^- \to t\bar{t}g$過程において、$b\ell\nu\bar{t}g$および$t\bar{b}\bar{\ell}\bar{\nu}g$チャンネルの微分断面積はCP対称性によって関連づけられ、$J_1$および$J_2$相関を用いたインクルーシブCPテストが可能になる。
• 本フレームワークは、対称な初期状態スピン密度行列と運動量-スピン相関を用いて、$e^+e^-$および$pp$衝突器でも$T$奇性・CP奇性観測量を構築できることを示している。