[论文解读] Charmed and light pseudoscalar meson decay constants from HISQ simulations

Alexei Bazavov, C. Bérnard+21 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用 4

一句话总结

该规范场论研究使用 MILC 四种动力费米子的未冻结 HISQ 费米子，在晶格 QCD 中计算了粲介子和轻味伪标量介子的轻子衰变常数。作者报告了 $f_{D^+} = 212.6(0.4)^{+1.0}_{-1.2}$ MeV 和 $f_{D_s} = 249.0(0.3)^{+1.1}_{-1.5}$ MeV，从而实现了对 CKM 矩阵元的精确测定，并对 CKM 协变性进行了严格检验。

ABSTRACT

We compute the leptonic decay constants $f_{D^+}$, $f_{D_s}$, and $f_{K^+}$, and the quark-mass ratios $m_c/m_s$ and $m_s/m_l$ in unquenched lattice QCD. We use the MILC highly improved staggered quark (HISQ) ensembles with four dynamical quark flavors. Our primary results are $f_{D^+} = 212.6(0.4)({}^{+1.0}_{-1.2})\ \mathrm{MeV}$, $f_{D_s} = 249.0(0.3)({}^{+1.1}_{-1.5})\ \mathrm{MeV}$, and $f_{D_s}/f_{D^+} = 1.1712(10)({}^{+29}_{-32})$, where the errors are statistical and total systematic, respectively. We also obtain $f_{K^+}/f_{π^+} = 1.1956(10)({}^{+26}_{-18})$, updating our previous result, and determine the quark-mass ratios $m_s/m_l = 27.35(5)({}^{+10}_{-7})$ and $m_c/m_s = 11.747(19)({}^{+59}_{-43})$. When combined with experimental measurements of the decay rates, our results lead to precise determinations of the CKM matrix elements $|V_{us}| = 0.22487(51) (29)(20)(5)$, $|V_{cd}|=0.217(1) (5)(1)$ and $|V_{cs}|= 1.010(5)(18)(6)$, where the errors are from this calculation of the decay constants, the uncertainty in the experimental decay rates, structure-dependent electromagnetic corrections, and, in the case of $|V_{us}|$, the uncertainty in $|V_{ud}|$, respectively.

研究动机与目标

• 使用具有四种动力费米子的未冻结晶格 QCD 精确计算 $f_{D^+}$、$f_{D_s}$ 和 $f_{K^+}$ 的轻子衰变常数。
• 从具有四种动力费米子味的晶格模拟中确定夸克质量比 $m_c/m_s$ 和 $m_s/m_l$。
• 通过结合晶格结果与实验衰变率，提高 CKM 矩阵元 $|V_{us}|$、$|V_{cd}|$ 和 $|V_{cs}|$ 测定的精度。
• 利用更新的衰变常数和分支比输入，检验 CKM 矩阵第一行与第二行的协变性。
• 估计并量化系统性不确定性，特别是粲介子衰变中与结构相关的电磁修正的影响。

提出的方法

• 采用 MILC 高度改进的阶梯费米子（HISQ）作用和一环泡钉修正的 Symanzik 规范作用进行未冻结晶格 QCD 模拟。
• 使用一组包含四种动力费米子味（$n_f=2+1+1$）和四种晶格间距（0.15–0.06 fm）的组集，以控制连续极限外推。
• 通过将价夸克质量调至物理值的组集进行物理质量分析，避免了手征极限外推。
• 将手征微扰理论应用于物理与非物理质量组集的联合拟合，以减少 $f_{D^+}$ 和 $f_{D_s}$ 的统计误差。
• 使用 $f_{\pi^+} = 130.41$ MeV 确定晶格尺度，并通过物理 $M_\pi^2/f_{\pi^+}^2$ 比值确定调谐的轻夸克质量。
• 通过比较物理质量分析与手征拟合结果，估计系统性误差，尤其针对 $f_{D^+}$ 和 $f_{D_s}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用具有四种动力费米子的未冻结晶格 QCD，精确的轻子衰变常数 $f_{D^+}$、$f_{D_s}$ 和 $f_{K^+}$ 的值是多少？
• RQ2 夸克质量比 $m_c/m_s$ 和 $m_s/m_l$ 与实验和理论预期相比如何？
• RQ3 衰变常数精度的提升对 CKM 矩阵元 $|V_{us}|$、$|V_{cd}|$ 和 $|V_{cs}|$ 的测定有何影响？
• RQ4 结果在多大程度上支持 CKM 矩阵的协变性？第一行与第二行之间是否存在任何张力？
• RQ5 粲介子衰变中与结构相关的电磁修正带来的不确定性有多大？

主要发现

• 该研究报告了 $f_{D^+} = 212.6(0.4)^{+1.0}_{-1.2}$ MeV，包含统计误差和总系统性误差。
• 以高精度获得 $f_{D_s} = 249.0(0.3)^{+1.1}_{-1.5}$ MeV，且 $f_{D_s}/f_{D^+} = 1.1712(10)^{+29}_{-32}$。
• 更新了比值 $f_{K^+}/f_{\pi^+} = 1.1956(10)^{+26}_{-18}$，并用于确定 $|V_{us}|/|V_{ud}|$。
• 确定了夸克质量比 $m_s/m_l = 27.35(5)^{+10}_{-7}$ 和 $m_c/m_s = 11.747(19)^{+59}_{-43}$。
• 结果 $|V_{us}| = 0.22487(51)^{+29}_{-20}(5)_{V_{ud}}$ 在 $0.026\%$ 以内与 CKM 协变性一致。
• $|V_{cd}| = 0.217(1)^{+5}_{-1}$ 和 $|V_{cs}| = 1.010(5)^{+18}_{-6}$ 显示与协变性存在张力，尽管在当前不确定度范围内。