[論文レビュー] Enhanced charm CP asymmetries from final state interactions

I. Bediaga, T. Frederico+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、$D^0 \to \pi^+\pi^-$ および $D^0 \to K^+K^-$ 衰えにおける最終状態相互作用（FSI）が、$\pi\pi \to KK$ による再散乱を通じて、標準模型内でのCP非対称性を強める可能性を提案する。CPT不変性、ワトソンの定理、実験的分岐比を用いて、$A_{CP}(\pi\pi) \approx 1.14 \times 10^{-3}$ および $A_{CP}(KK) \approx -0.41 \times 10^{-3}$ を予測し、LHCbのデータと一致し、新しい物理を仮定せずに観測された $\Delta A_{CP} \approx -1.54 \times 10^{-3}$ を説明する。

ABSTRACT

We show that final state interactions (FSI) within a CPT invariant two-channel framework can enhance the charge-parity (CP) violation difference between $D^0 oπ^-π^+$ and $D^0 o K^-K^+$ decays up to the current experimental value. This result relies upon: (i) the dominant tree level diagram, (ii) the well-known experimental values for the $D^ 0 oπ^-π^+$ and $D^ 0 o K^-K^+$ branching ratios, and (iii) the $ππ o ππ$ and $ππ o K K $ scattering data to extract the strong phase difference and inelasticity. Based on well-grounded theoretical properties, we find the sign and bulk value of the $ΔA_{CP}$ and $A_{CP}(D^0 o π^-π^+)$ recently observed by the LHCb Collaboration.

研究の動機と目的

• LHCbが観測した $\Delta A_{CP} = A_{CP}(K^+K^-) - A_{CP}(\pi^+\pi^-) \approx -1.54 \times 10^{-3}$ を、新しい物理を導入せずに標準模型内で説明すること。
• 最終状態相互作用（FSI）が $\pi\pi$ および $KK$ チャネルで強い位相の干渉を通じて顕著なCP違反を生成できることを示すこと。
• CPT不変性およびワトソンの定理を用いて、$A_{CP}$ 値と分岐比の間のモデルに依存しない関係を導出すること。
• 実験的入力とFSI効果に基づき、$D^0 \to \pi^+\pi^-$ および $D^0 \to K^+K^-$ 衰えの個々の $A_{CP}$ 値を予測すること。

提案手法

• 2チャネルフレームワークにおいて、$D^0$ と $\bar{D}^0$ の崩壊幅を関係づけるCPT不変性を適用し、$S$行列のユニタリティを保証する。
• ワトソンの定理を用いて、$\pi\pi \to KK$ 再散乱の強い位相を $D^0 \to \pi^+\pi^-$ および $D^0 \to K^+K^-$ の崩壊振幅に関連付ける。
• LHCbおよび他の実験からの $D^0 \to \pi^+\pi^-$ および $D^0 \to K^+K^-$ の実験的分岐比を組み込む。
• 1980年代の実験的値を用いて、$\pi\pi \to \pi\pi$ および $\pi\pi \to KK$ 散乱データから強い位相差と非弾性度を抽出する。
• 式 (18) および (19) を用いて、$\Delta A_{CP}$ と分岐比の関数として $A_{CP}(\pi\pi)$ および $A_{CP}(KK)$ の解析的表現を導出する。
• 最新のLHCbの個々の $A_{CP}$ 値の結果と照合し、$2\sigma$ の範囲内で一致することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最終状態相互作用が $\pi\pi$ および $KK$ チャネルに及ぼす影響は、標準模型内において $D^0$ 衰えの観測された $\Delta A_{CP}$ を説明できるか？
• RQ2 CPT不変性およびワトソンの定理は、強い位相の干渉を通じてCP非対称性を生成する役割を果たすか？
• RQ3 $\Delta A_{CP}$ と分岐比のみから、$D^0 \to \pi^+\pi^-$ および $D^0 \to K^+K^-$ の個々の $A_{CP}$ 値を予測できるか？
• RQ4 観測された $|A_{CP}(\pi\pi)| > |A_{CP}(KK)|$ の構造は、FSI駆動のCP違反と整合するか？
• RQ5 このメカニズムは、$S$波位相シフト差および非対角 $S$行列要素にどのような制約を課えるか？

主な発見

• モデルは $A_{CP}(\pi\pi) = (1.135 \pm 0.021) \times 10^{-3}$ および $A_{CP}(KK) = -(0.405 \pm 0.077) \times 10^{-3}$ を予測し、$2\sigma$ の範囲内でLHCbのデータと一致する。
• 予測された $\Delta A_{CP} = -1.54 \times 10^{-3}$ は、LHCbの実験的値と一致し、このメカニズムの妥当性を確認する。
• $A_{CP}(\pi\pi)$ および $A_{CP}(KK)$ の符号と大きさは、逆位相を持つ $\pi\pi \to KK$ 再散乱による干渉によって説明できる。
• 結果は、標準模型の原則（CPT不変性、ワトソンの定理、実験的分岐比）のみを用いて導出されており、新しい物理を必要としない。
• モデルは最新のLHCbの結果と整合する：$A_{CP}^{LHCb}(\pi\pi) = (2.32 \pm 0.61) \times 10^{-3}$ および $A_{CP}^{LHCb}(KK) = (0.77 \pm 0.57) \times 10^{-3}$ だが、後者は精度が低い。
• 将来的なデータで $A_{CP}(KK)$ が正であると確認された場合、このFSIメカニズムは否定されることになり、重要な検証可能な予測となる。