[论文解读] Radiative Non-Leptonic Kaon Decays

Giancarlo D’Ambrosio, Gerhard F. Ecker+2 more|ArXiv.org|Nov 30, 1994

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 40

一句话总结

本文使用有效场论（CHPT）和标准模型对胶子非轻子衰变进行了全面的理论分析，重点研究衰变振幅、分支比和CP破坏。该研究预测了DAΦNE实验的可观测量，表明像$K_{S} \to \pi^0 e^+e^-$这样的稀有衰变对反项耦合常数极为敏感，可作为探测新物理的工具；预计DAΦNE将探测多个衰变道，并改进对CP破坏和形式因子的限制。

ABSTRACT

We investigate to what extent DA$Φ$NE will be able to test the Standard Model in the confinement regime with radiative kaon decays. We concentrate on processes which can be detected at DA$Φ$NE and we review briefly those decays where only upper limits can be expected. The Standard Model predictions for these decays are analyzed in the framework of chiral perturbation theory.

研究动机与目标

• 评估DAΦNE在低能区探测标准模型的灵敏度，作为研究非轻子衰变的探针。
• 基于手征微扰理论和低能定理，为涉及光子、轻子对和π介子的稀有衰变提供可靠的理论预测。
• 识别DAΦNE可设定更优限制或首次观测的衰变道，特别是对新物理或CP破坏敏感的衰变。
• 评估反项耦合常数和圈图振幅对衰变速率的影响，尤其在$K_{S} \to \pi^0 e^+e^-$和$K^+ \to \pi^+ e^+e^-$衰变中。
• 探讨DAΦNE测量$K_{L} \to \pi^+\pi^- e^+e^-$及其相关道中间接CP破坏的潜力。

提出的方法

• 应用手征微扰理论（CHPT）计算非轻子衰变的低能振幅，包括一阶圈图和反项贡献。
• 利用手征异常和低能定理约束非轻子弱振幅的结构。
• 计算双光子、单光子（内轫致辐射与直接发射）及轻子对末态的矩阵元和衰变速率。
• 引入圈函数$F(z)$、$G(z)$、$\varphi(z)$和$H(z)$，以描述$K \to \pi \ell^+\ell^-$和$K \to \pi \gamma \ell^+\ell^-$衰变中的一阶圈图贡献。
• 将贡献分离为间接和直接CP破坏，分析$K_{L} \to \pi^+\pi^- \ell^+\ell^-$中干涉效应。
• 基于亮度假设（$5 \times 10^{32}~\text{s}^{-1}\text{cm}^{-2}$）和理论预测，估算DAΦNE中的预期事例率。

实验结果

研究问题

• RQ1 DAΦNE能否探测如$K_{S} \to \pi^0 e^+e^-$这样的稀有辐射非轻子衰变？其对反项耦合常数的灵敏度如何？
• RQ2 $K_{L} \to \pi^+\pi^- e^+e^-$的预期分支比是多少？DAΦNE能否测量该道中的间接CP破坏？
• RQ3 圈图与反项贡献如何影响$K^+ \to \pi^+ e^+e^-$的衰变速率？DAΦNE能否区分不同模型的预测？
• RQ4 DAΦNE在测量$K \to \gamma \ell^+\ell^-$衰变中的形式因子和轻子谱方面能带来哪些改进？
• RQ5 哪些辐射衰变对新物理最敏感？DAΦNE能否对这些效应设定有意义的限制？

主要发现

• 预计DAΦNE将以$3.4 \times 10^{-8}$的分支比探测$K_{S} \to \pi^0 e^+e^-$，对反项耦合常数极为敏感，可用于探测间接CP破坏。
• $K^+ \to \pi^+ e^+e^-$的分支比预测为$2.61 \times 10^{-4}$，DAΦNE有望以更高统计精度测量其能谱和形式因子。
• 对于$K_{L} \to \pi^+\pi^- e^+e^-$，分支比估计为$1.5 \times 10^{-5}$，DAΦNE可通过$e^+e^-$与$\pi^+\pi^-$平面中的角不对称性测量间接CP破坏贡献。
• $K_{L} \to \mu^+\mu^-$的分支比预测为$7 \times 10^{-9}$，DAΦNE有望改进其测量并设定更紧的限制。
• 在$E^*_\gamma > 50~\text{MeV}$条件下，$K_{S} \to \pi^+\pi^- \gamma$道预计每年产生$1.7 \times 10^3$个事例，可区分不同模型对直接辐射的预测。
• 由于分支比极小（$\sim 10^{-9}$），DAΦNE可能仅能对$K_{S} \to \pi^0 e^+e^-$和$K_{L} \to \pi^0 e^+e^-$设定上限，但将提供关键数据以检验反项模型。