[论文解读] New Physics from NSIs in charm Decays

Shakeel Mahmood, Farida Tahir+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用 6

一句话总结

本文在中微子自旋翻转相互作用（NSIs）框架下研究了稀有粲夸克衰变 $D_s^+ \to K^+ \bar{\nu}\nu$、$D^0 \to \pi^0 \bar{\nu}\nu$ 和 $D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}\nu$，表明NSIs可显著增强分支比，尤其是在长程主导过程之中，从而对新物理参数如 $\epsilon_{\tau\tau}^{uL}$ 和 $\epsilon_{\tau\tau}^{dL}$ 施加严格约束，其上限分别为 $O(10^{-2})$ 和 $\sim 1$。

ABSTRACT

We study rare decays of Charm in NSIs. We calculate the NSIs Branching ratios of these decays. There is a strong dependence of these on new physics parameter. They provide, stringent constraints on free parameter in tau.

研究动机与目标

• 研究非标准相互作用（NSIs）在涉及中微子-反中微子对的稀有粲夸克衰变中的作用。
• 在标准模型之外计算 $D_s^+ \to K^+ \bar{\nu}\nu$、$D^0 \to \pi^0 \bar{\nu}\nu$ 和 $D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}\nu$ 的分支比。
• 从这些衰变中推导出NSI参数 $\epsilon_{\tau\tau}^{uL}$、$\epsilon_{\tau\tau}^{dL}$ 和 $\epsilon_{\alpha\beta}^{dL}$（$\alpha,\beta = e,\mu$）的约束。
• 评估这些衰变对低能实验（如BES-III）及未来B工厂中新物理的敏感性。
• 比较NSIs在粲物理中长程与短程主导衰变模式中的影响。

提出的方法

• 通过夸克层级跃迁 $s \to d \, \nu_\alpha \bar{\nu}_\beta$ 推导NSI贡献的有效哈密顿量，引入NSI参数 $\epsilon_{\alpha\beta}^{fP}$。
• 使用公式 $\text{Br}(D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}\nu)_{\text{NSI}} = \left| \frac{\alpha_{\text{em}}}{4\pi \sin^2\theta_W} V_{ud} \epsilon_{\alpha\beta}^{uL} \ln\frac{\Lambda}{m_W} \right|^2 \times \text{Br}(D_s^+ \to D^0 e^+ \nu_e)$ 计算分支比。
• 理论估算采用BES-III数据给出的基准值 $\text{Br}(D_s^+ \to D^0 e^+ \nu_e) = 5 \times 10^{-6}$。
• 生成分支比随新物理尺度 $\Lambda$ 和NSI参数 $\epsilon_{\tau\tau}^{uL}$ 变化的等高线图，以可视化敏感性。
• 分析区分长程与短程主导过程，二者具有不同的模型依赖性。
• 通过将理论预测与实验限制（特别是来自 $K^+ \to \pi^+ \bar{\nu}\nu$ 的限制）比较，提取NSI参数的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 非标准相互作用（NSIs）如何影响稀有粲夸克衰变 $D_s^+ \to K^+ \bar{\nu}\nu$、$D^0 \to \pi^0 \bar{\nu}\nu$ 和 $D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}\nu$ 的分支比？
• RQ2 从这些衰变中，对NSI参数 $\epsilon_{\tau\tau}^{uL}$、$\epsilon_{\tau\tau}^{dL}$ 和 $\epsilon_{\alpha\beta}^{dL}$（$\alpha,\beta = e,\mu$）可得到哪些约束？
• RQ3 在粲物理中，NSI对长程与短程主导衰变模式的影响有何不同？
• RQ4 未来实验（如BES-III或B工厂）能否探测到本研究预测的NSI增强的分支比？
• RQ5 NSIs在多大程度上可解释标准模型预测与稀有半轻衰变实验数据之间的差异？

主要发现

• 计算得到 $D_s^+ \to K^+ \bar{\nu}\nu$ 的分支比为 $2.23 \times 10^{-8}$，在长程主导过程中因NSI贡献而显著增强。
• 估计 $D^0 \to \pi^0 \bar{\nu}\nu$ 的分支比为 $3.21 \times 10^{-8}$，同样显示出由于模型依赖的长程动力学而带来的强烈NSI增强。
• 对于短程主导过程 $D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}\nu$，NSI分支比为 $2.33 \times 10^{-15}$，略高于标准模型的 $\sim 6 \times 10^{-15}$ 值。
• 分析得出 $\epsilon_{\tau\tau}^{uL} \sim O(10^{-2})$ 的约束，表明对电弱尺度新物理具有敏感性。
• 获得 $\epsilon_{\tau\tau}^{dL} \sim 1$ 的约束，同时对 $\alpha,\beta = e,\mu$ 有 $\epsilon_{\alpha\beta}^{dL} < 1$，显示出对味破坏型NSI参数的强约束。
• 等高线图显示，$D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}_\tau \nu_\tau$ 的分支比对 $\Lambda$ 和 $\epsilon_{\tau\tau}^{uL}$ 均高度敏感，表明在未来高亮度实验中具有可探测性。