[论文解读] Revisiting B o\pi K, \pi K^{\ast} and ho K Decays: Direct CP Violation and Implication for New Physics

Qin Chang, Xin-Qiang Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 7

一句话总结

该论文使用具有红外有限胶胶传播子的QCD因子化方法重新研究了 $B \to \pi K$、$\pi K^*$ 和 $\omega K$ 衰变，表明时类湮灭贡献产生了较大的强相位，而硬汤川散射保持为实数。该研究与实验测量的分支比和CP破坏 asymmetries 基本一致——除了 $A_{CP}(B^\pm \to K^\pm \pi^0)$ 之外——并指出 $\pi K$ CP不对称性中的差异可能是新物理的线索，通过模型无关的 $\bar{s}(1+\gamma_5)b \otimes \bar{q}(1+\gamma_5)q$ 运算符进行分析，发现在可行的参数空间中存在非平凡的弱相位。

ABSTRACT

Combining the up-to-date experimental information on $B o\pi K, \pi K^{\ast}$ and $ ho K$ decays, we revisit the decay rates and CP asymmetries of these decays within the framework of QCD factorization. Using an infrared finite gluon propagator of Cornwall prescription, we find that the time-like annihilation amplitude could contribute a large strong phase, while the sapce-like hard spectator scattering amplitude is real. Numerically, we find that all the branching ratios and most of the direct CP violations, except $A_{CP}(B^{\pm} o K^{\pm}\pi^{0})$, are in agreement with the current experimental data with an effective gluon mass $m_g\simeq0.5 m GeV$. Taking the unmatched difference in direct CP violations between $B o\pi^{0} K^{\pm}$ and $\pi^{\mp}K^{\pm}$ decays as a hint of new physics, we perform a model-independent analysis of new physics contributions with a set of $\bar{s}(1+\gamma_{5})b\otimes\bar{q}(1+\gamma_{5})q$ (q=u,d) operators. Detail analyses of the relative impacts of the operators are presented in five cases. Fitting the twelve decay modes, parameter spaces are found generally with nontrivial weak phases. Our results may indicate that both strong phase from annihilation amplitude and new weak phase from new physics are needed to resolve the $\pi K$ puzzle.

研究动机与目标

• 通过使用更新的实验数据重新评估衰变振幅和CP不对称性，以解决B衰变中长期存在的 $\pi K$ 疑难问题。
• 研究在 $B^\pm \to \pi^0 K^\pm$ 和 $B^\pm \to \pi^\mp K^\pm$ 衰变中观测到的直接CP不对称性差异是否暗示新物理。
• 通过 $\bar{s}(1+\gamma_5)b \otimes \bar{q}(1+\gamma_5)q$ 运算符对新物理贡献进行模型无关分析。
• 确定是否同时需要来自湮灭的强相位和来自新物理的弱相位才能解释数据。

提出的方法

• 采用基于Cornwall方案的红外有限胶胶传播子的QCD因子化方法计算衰变振幅。
• 将贡献分离为时类湮灭和空类硬汤川散射振幅。
• 通过赋予有效胶胶质量 $m_g \simeq 0.5$ GeV 来调节红外发散。
• 利用时类湮灭振幅产生较大的强相位，而空类硬汤川散射振幅保持为实数。
• 对十二种衰变模式进行全局拟合，以约束新物理的参数空间。
• 分析五种不同新物理运算符贡献的情形，评估其相对影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $B \to \pi K$ 衰变中，时类湮灭振幅是否能产生足够大的强相位以解释观测到的CP不对称性？
• RQ2 为何直接CP不对称性 $A_{CP}(B^\pm \to K^\pm \pi^0)$ 与实验数据不一致，而其他不对称性却能良好拟合？
• RQ3 新物理在解决 $\pi K$ 疑难问题中扮演何种角色，特别是在CP不对称性不匹配的背景下？
• RQ4 哪些 $\bar{s}(1+\gamma_5)b \otimes \bar{q}(1+\gamma_5)q$ 运算符组合能够同时拟合数据并产生非平凡的弱相位？
• RQ5 湮灭产生的强相位与新物理带来的弱相位之间的相互作用是否对解释全部 $B \to \pi K$ 衰变可观测量是必要的？

主要发现

• 时类湮灭振幅贡献了较大的强相位，而空类硬汤川散射振幅保持为实数，这符合红外有限胶胶传播子的要求。
• 当采用 $m_g \simeq 0.5$ GeV 时，所有分支比和大多数直接CP不对称性均与实验数据良好一致。
• 直接CP不对称性 $A_{CP}(B^\pm \to K^\pm \pi^0)$ 与实验数据存在显著偏差，提示可能存在新物理信号。
• 在 $B^\pm \to \pi^0 K^\pm$ 与 $B^\pm \to \pi^\mp K^\pm$ 衰变之间CP不对称性的差异被识别为新物理的关键线索。
• 对 $\bar{s}(1+\gamma_5)b \otimes \bar{q}(1+\gamma_5)q$ 运算符进行的模型无关分析揭示了存在非平凡弱相位的可行参数空间。
• 结果表明，为解决 $\pi K$ 疑难问题，必须同时考虑来自湮灭的强相位和来自新物理的弱相位。