[논문 리뷰] Determination of the angle gamma using multibody D decays in B+- ---> DK+-

A. Giri, Yuval Grossman외 2명|arXiv (Cornell University)|2003. 06. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 B± → DK± 붕괴 이후 다체 입자 D → K₀Sπ⁻π⁺ 붕괴를 거쳐 CKM 각도 γ를 모델에 종속되지 않은 방법으로 결정하는 방법을 제시한다. D 붕괴에서의 공명 구조를 이용해 측정 가능한 큰 강한 위상을 생성함으로써, 이론적 강한 상호작용 불확실성 없이 γ를 추출할 수 있으며, Cabibbo 억제된 D 붕괴에 의존하지 않고 다이리처트 플롯 분석을 통해 최소한의 이론적 가정으로 γ 추출이 가능하다. 이 방법은 rB 수준의 민감도를 가지며, rB ≈ 0.1–0.2 이고, 공명 피팅에서의 위상 정보를 통해 모호함을 해결한다.

ABSTRACT

We describe a method for determining gamma using B^+- -> D K^+- decays followed by a multibody D decay. In the talk we focus on K_S pi^- pi^+ final state, but other modes such as D -> K_S K^- K^+ and D -> K_S pi^- pi^+ pi^0 can also be used. The main advantages of the method are that it uses only Cabibbo allowed D decays, and that large strong phases are expected due to the presence of resonances. Since no knowledge about the resonance structure is needed, gamma can be extracted without any hadronic uncertainty.

연구 동기 및 목표

• 펜텀 다이어그램이나 Cabibbo 억제된 D 붕괴에 의존하지 않는 이론적으로 청소된 γ 각도 측정 방법을 개발하는 것.
• 색 억제된 B⁻ → D⁰K⁻ 진폭을 측정하는 데 있어 실험적 과제를 해결하기 위해 다체 입자 D 붕괴와 공명 위상공간 구조를 활용하는 것.
• 사전에 공명 파rameter에 대한 지식이 필요로 하지 않는 B± → DK± → (K₀Sπ⁻π⁺)K±의 다이리처트 플롯 분석을 통해 γ 추출을 가능하게 하는 것.
• Cabibbo 허용된 D 붕괴만을 사용하고 공명에서 유도된 큰 강한 위상을 활용함으로써 이론적 불확실성을 줄이는 것.
• 모델에 종속되지 않은 γ 결정과 모델에 종속된 γ 결정을 모두 가능하게 하는 프레임워크를 제공하며, 모호함 해소 전략을 포함하는 것.

제안 방법

• B± → DK± → (K₀Sπ⁻π⁺)K±의 계단식 붕괴를 사용하며, D 메손이 공명을 포함한 다체 최종 상태로 붕괴한다.
• 상대 위상 γ를 포함한 B± → D⁰K± 및 B± → D⁰K±의 진폭을 정의하며, 강한 위상 δB와 D-메손 붕괴 위상 δ12,13를 포함한다.
• 감쇠된 부분 붕괴율을 |AD|², rB, δB 및 e^(i(δB−γ))를 포함한 간섭항으로 표현함으로써 다이리처트 플롯 데이터로부터 γ 추출이 가능하다.
• 위상공간 적분을 통한 관측량  Γ̂±i를 정의하는 모델에 종속되지 않은 분석을 적용하며, 이는 CP 위반과 γ에 민감하다.
• D 붕괴 진폭을 브라이트-위너 공명과 비공명 항의 합으로 피팅하는 모델에 종속된 접근법을 도입하여 위상과 진폭 제약 조건을 부여한다.
• 진폭의 대칭성 특성을 이용해 네 가지 이산적 모호함(Pπ 및 P−)을 식별하며, 이는 sinδB 또는 cosδB의 부호 측정 또는 국소 다이리처트 플롯에 대한 공명 피팅을 통해 제거할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cabibbo 억제된 D 붕괴나 공명 모델링에 의존하지 않고 B± → DK± 붕괴 이후 다체 입자 D → K₀Sπ⁻π⁺ 붕괴에서 γ를 추출할 수 있는가?
• RQ2 D 붕괴에서 유도된 큰 강한 위상은 rB가 작음에도 불구하고 γ 추출에 충분한 민감도를 제공하는가?
• RQ3 브라이트-위너 형태에 대한 피팅 없이 다이리처트 플롯의 위상공간 적분만을 사용해 모델에 종속되지 않은 γ 결정이 가능한가?
• RQ4 γ 추출에서 발생하는 네 가지 이산적 모호함은 실험적 정보로 어떻게 해소할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 D → K₀SK⁻K⁺ 또는 D → K₀Sπ⁻π⁺π⁰ 등의 다른 다체 입자 D 붕괴 모드로 확장 가능한가?

주요 결과

• 이 방법은 이론적 강한 상호작용 불확실성이 없고, 오직 Cabibbo 허용된 D 붕괴와 다이리처트 플롯 분석만을 사용해 모델에 종속되지 않은 γ 결정이 가능하다.
• D⁰ → K₀Sπ⁻π⁺ 붕괴에서 발생하는 공명(예: ρ⁰, K*⁻(892))으로부터 기인한 큰 강한 위상은 다이리처트 플롯 전역에서 충분한 위상 변화를 제공하여 γ 추출이 가능하다.
• γ 추출 민감도는 rB 수준이며, rB ≈ 0.1–0.2 이고, 이는 이론적 예측과 일치하며, 작은 진폭 비율에도 불구하고 방법의 타당성이 유지된다.
• γ 추출에서 발생하는 네 가지 이산적 모호함은 sinδB 또는 cosδB의 부호 측정 또는 국소 다이리처트 플롯에 대한 공명 피팅을 통해 제거 가능하다.
• 이 방법은 D → K₀SK⁻K⁺, D → K₀Sπ⁻π⁺π⁰, D → K⁻K⁺π⁰ 등의 다른 D 붕괴 모드로 약간의 수식 수정만으로도 확장 가능하다.
• 완전한 γ 추출 이전에도 이 모드에서 직접적인 CP 위반을 관측할 수 있으며, 다이리처트 플롯의 간섭항은 sinγ와 큰 강한 위상에 의존하기 때문이다.