[論文レビュー] Implications on the first observation of charm CPV at LHCb

Hsiang-nan Li, Cai-Dian Lü+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、因子化支援型トポロジカル振幅（FAT）アプローチを用いて、LHCbが最初に観測したcharm CP違反を確認し、直接CP非対称性 $ A_{CP}(D^+ \to K^+K^{-}\pi^+) = -0.88 \times 10^{-3} $ を予測している。これは標準模型（SM）と整合しており、$ D^+ \to K^+K^{-}\pi^+ $ がLHCbにおける高精度CPV測定の次なる主要なチャンネルであることが特定され、$ \sim 10^{-4} $ の感度を持つ。

ABSTRACT

Very recently, the LHCb Collaboration observed the $CP$ violation (CPV) in the charm sector for the first time, with $ΔA_{CP}^{ m dir}\equiv A_{CP}(D^0 o K^+K^-)-A_{CP}(D^0 o π^+π^-)=(-1.54\pm0.29) imes10^{-3}$. This result is consistent with our prediction of $ΔA_{CP}^{ m SM}=(-0.57\sim -1.87) imes 10^{-3}$ obtained in the factorization-assisted topological-amplitude (FAT) approach in [PRD86,036012(2012)]. It implies that the current understanding of the penguin dynamics in charm decays in the Standard Model is reasonable. Motivated by the success of the FAT approach, we further suggest to measure the $D^+ o K^+K^-π^+$ decay, which is the next potential mode to reveal the CPV of the same order as $10^{-3}$.

研究の動機と目的

• 因子化支援型トポロジカル振幅（FAT）アプローチを用いて、LHCbが最初に観測したcharm CP違反の妥当性を検証すること。
• 観測された $ \Delta A_{CP} = (-1.54 \pm 0.29) \times 10^{-3} $ が標準模型予測と整合しているかを評価すること。
• 新しい崩壊モード $ D^+ \to K^+K^{-}\pi^+ $ が、$ 10^{-3} $ スケールでのCP違反観測に有望な次なるチャンネルとして特定され、評価されること。
• FATフレームワークを用いて、$ D^+ \to K^+ \overline{K}_0^{*}(1430)^0 $ の準2体チャンネルにおけるCP非対称性を推定すること。
• 将来のLHCbにおける高精度CPV測定を支援するため、$ 10^{-3} $ スケールの期待される非対称性を持つモードを同定すること。

提案手法

• charm崩壊におけるツリー振幅とペンギン振幅をモデル化するために、因子化支援型トポロジカル振幅（FAT）アプローチを用い、$ SU(3) $ 対称性の破れ効果を組み込む。
• ツリー振幅 $ T $ を因子化アプローチを用いて計算し、ウィルソン係数 $ a_1 $、形式因子 $ F_0^{D \to K^*} $、崩壊定数を用いる。
• QCDペンギン図を用いてペンギン振幅 $ P $ を評価し、$ V_{cb}^*V_{ub} $ とヘリカル因子 $ r_\chi $ を含む。$ a_4 $ および $ a_6 $ 係数からの寄与を考慮する。
• ペアレンツ・エクスチェンジ振幅 $ PE $ を、中間状態としてパルス粒子（パイオン）と強い結合定数 $ g_S = 3.8 $ GeV を用いたポール図でモデル化する。$ K_0^*(1430) \to K\pi $ のデータから得られる。
• ツリー振幅とペンギン振幅を組み合わせ、相対的な強い位相と干渉を考慮して直接CP非対称性 $ A_{CP} $ を計算する。
• W-消滅の寄与が無視できると仮定し、FATフレームワークを用いて $ A_{CP}(D^+ \to K^+ \overline{K}_0^{*}(1430)^0) $ を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCbが観測した $ \Delta A_{CP} = (-1.54 \pm 0.29) \times 10^{-3} $ のcharm CP違反は、FATアプローチを用いて標準模型内ですべての矛盾なく説明可能か？
• RQ2 特に主要な準2体チャンネルである $ D^+ \to K^+ \overline{K}_0^{*}(1430)^0 $ における直接CP非対称性の予測値は何か？
• RQ3 $ D^+ \to K^+K^{-}\pi^+ $ 崩壊モードは、$ \sim 10^{-4} $ の感度を持つ将来の高精度CPV測定に実用的かつ有望な候補であるか？
• RQ4 FATフレームワーク内において、ペンギンダイナミクスと $ SU(3) $ 対称性の破れ効果は、$ D^+ \to K^+ \overline{K}_0^{*}(1430)^0 $ のCP非対称性にどのように影響するか？
• RQ5 因子化可能な寄与はペンギン振幅においてどのような役割を果たし、最終的なCP非対称性予測にどのように影響するか？

主な発見

• 観測された $ \Delta A_{CP} = (-1.54 \pm 0.29) \times 10^{-3} $ は、FATアプローチによる予測値 $ \Delta A_{CP}^{\text{SM}} = (-0.57 \sim -1.87) \times 10^{-3} $ と整合しており、ペンギン振幅推定のためのモデルの信頼性を支持する。
• $ D^+ \to K^+ \overline{K}_0^{*}(1430)^0 $ における直接CP非対称性は $ A_{CP} = -0.88 \times 10^{-3} $ と予測され、$ 10^{-3} $ スケールでの測定可能な信号であることが示された。
• $ D^+ \to K^+K^{-}\pi^+ $ 崩壊は、$ \phi\pi^+ $、$ \overline{K}^{*0}K^+ $、$ K^+ \overline{K}_0^{*}(1430)^0 $ を通じた準2体モードに支配されており、後者はCP非対称性に顕著な寄与をしている。
• $ D^+ \to \overline{K}^{*0}K^+ $ におけるCP非対称性は $ +2 \times 10^{-4} $ と予測され、一方 $ D^+ \to \phi\pi^+ $ では $ -1 \times 10^{-7} $ と予測される。これにより、$ \overline{K}_0^{*}(1430)^0 $ が全非対称性の主な寄与者であることが明らかになった。
• LHCbの測定精度は $ \sigma_{A_{CP}} \sim 10^{-4} $ に近づいており、$ D^+ \to K^+K^{-}\pi^+ $ モードが将来のCPV観測に有望な候補である。
• 実験と理論の整合性は、特にペンギン支配の過程において、新しい物理の寄与を制約するためのFATフレームワークの有用性を支持する。