[论文解读] C, P, and CP asymmetry observables based on triple product asymmetries

A. J. Bevan|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 9

一句话总结

本文提出了十二种可测量的三重乘积不对称性，用于系统性地检验粒子衰变中的C、P和CP对称性，其中九种为此前未测量的。结果表明，这些不对称性可探测希格斯玻色子、Z⁰玻色子、顶夸克及强子衰变中的C、P和CP破坏，为对撞机和味物理实验中的标准模型及新物理搜索提供了一般性框架。

ABSTRACT

Triple product asymmetries have been used to probe CP violation in $K$, $D$, and B decays. Here we review the interpretation of those asymmetries, and note that it is possible to construct twelve measurable triple product asymmetries for the decay of a particle into a four body final state. Eight of these asymmetries are introduced here and nine have never been measured before. These can be used to systematically test C, P, and CP symmetries in decays to four body final states. In particular we note that these asymmetries can be used to study symmetry invariance in Higgs, $Z^0$, top-quark, and hadron decay (both baryon and meson) as well as for $τ^\pm$ decay at production threshold.

研究动机与目标

• 开发一种利用三重乘积不对称性系统测试四体衰变中C、P和CP对称性的综合框架。
• 识别并分类十二种可测量的三重乘积不对称性，其中八种为新提出的，九种此前未被测量。
• 将三重乘积不对称性的适用范围从K介子和B介子扩展至包括希格斯玻色子、Z⁰玻色子、顶夸克和τ轻子。
• 在涉及四体衰变的新物理场景（如暗物质 sector 或 SUSY 模型）中，实现C、P和CP破坏的系统性探测。
• 提供一种工具，通过重玻色子和夸克衰变中的干涉效应，探测弱相互作用结构及潜在的新物理。

提出的方法

• 在衰变粒子的静止参考系中，利用三个末态粒子动量的标量三重积构造三重乘积不对称性：ψ = p_c · (p_a × p_b)。
• 基于φ的符号或函数依赖关系定义不对称性，其中φ为两个衰变平面（ab）与（cd）之间的夹角。
• 将衰变类型分为三类：类型1（M ≠ M̄, f ≠ f̄）、类型2（M ≠ M̄, f = f̄）和类型3（M = M̄, f = f̄），各类具有不同的对称性质。
• 推导在C、P、T和CP变换下的变换性质：ψ在C变换下为偶宇称，在P、T和CP变换下为奇宇称，从而可用于对称性破坏的检验。
• 将该形式化方法应用于D⁰ → K⁺K⁻π⁺π⁻、K⁰_L → π⁺π⁻e⁺e⁻及H⁰/Z⁰衰变等模式，表明在一般运动学条件下可测量到不对称性。
• 建议使用全部不对称性重新分析现有的强子和Belle实验数据，以提取对C、P和CP破坏的新约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统性地推广三重乘积不对称性，以检验四体衰变中的C、P和CP对称性？
• RQ2 在十二种可能的三重乘积不对称性中，哪些对弱相位差敏感，从而可作为C、P或CP破坏的信号？
• RQ3 这些不对称性是否可用于探测希格斯玻色子、Z⁰玻色子、顶夸克和τ轻子衰变中的C、P和CP破坏？
• RQ4 QCD不确定度对低能强子衰变中三重乘积不对称性解释有何影响？
• RQ5 如何将这些不对称性应用于新粒子（如暗光子或轻希格斯玻色子）四体衰变中的新物理搜索？

主要发现

• 为四体衰变定义了十二种不同的三重乘积不对称性，其中八种为本文首次提出，九种此前未被测量。
• 对于类型3衰变（M = M̄, f = f̄），这十二种不对称性可统一为一个可观测量，同时检验P和CP对称性。
• 新不对称性中的六种仅在干涉振幅之间存在非零弱相位差时才非零，表明其对CP破坏具有敏感性。
• 该形式化方法适用于希格斯玻色子、Z⁰玻色子、顶夸克和τ轻子衰变，可在LHC、未来的味物理工厂及e⁺e⁻对撞机中实现对称性检验。
• 对强子数据中D⁰ → K⁺K⁻π⁺π⁻的重新分析显示，通过全部不对称性集合可发现C和P破坏的证据，展示了其高灵敏度。
• 该方法为探测四体衰变中的新物理（包括暗物质模型和SUSY）提供了一般性工具，通过C、P和CP破坏的信号实现探测。