[论文解读] Direct CP Violation in B+ to J/psi K+ Decay as Probe for New Physics

W.-S. Hou, Makiko Nagashima+1 more|ArXiv.org|May 8, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文提出，若确认B介子衰变中存在新物理的现有迹象，则$B^+ \to J/\psi K^+$衰变模式中的直接CP破坏可能成为探测新物理的灵敏探针，预测对称性破坏水平可达1%或更高。分析表明，若直接CP破坏不对称性$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$超过1%，将强烈表明存在标准模型之外的新物理，特别是当该破坏由电弱胶子或色抑制胶子振幅中的新物理相位引起时。

ABSTRACT

Currently there are New Physics hints in mixing-induced CP violation S(phi K0), S(pi0 K0) < S(J/psi K0), unequal direct CP violation A(K+ pi-) differs A(K+ pi0), and maybe even in measured S(J/psi K0) vs prediction from global fit to other data. However, these hints either suffer from experimental uncertainties, or uncertain hadronic corrections, and are not yet unequivocal. Motivated by these hints, however, we point out that a unique probe may be direct CP violation in B to JψK mode. An asymmetry observed at 1% or higher would indicate New Physics.

研究动机与目标

• 调查在其他B衰变模式中存在模糊迹象的情况下，$B^+ \to J/\psi K^+$衰变中的直接CP破坏是否可作为探测新物理的清晰探针。
• 评估若在$b \to s\bar{q}q$或$b \to c\bar{c}s$衰变中存在新物理，是否可能观测到$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$在1%或更高水平的直接CP不对称性。
• 评估利用现有及未来的B工厂数据高精度测量$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$的可行性，特别是到2008年预计获得约2000M对$B\bar{B}$事例的情况。
• 探讨此类不对称性的理论基础，重点关注新物理对电弱胶子和色抑制胶子振幅的贡献，及其对强相$\delta$的影响。

提出的方法

• 将$B^+ \to J/\psi K^+$的衰变振幅建模为$\mathcal{M} = a e^{i\delta} + b e^{-i\phi}$，其中$a$占主导地位，$\delta$代表强相位。
• 通过有效威尔逊系数$\Delta c_3^{\psi K}$和$\Delta c_9^{\psi K}$参数化新物理贡献，分别代表色抑制和电弱胶子振幅。
• 该模型假设$\Delta c_5^{\psi K} = \Delta c_7^{\psi K} = 0$，聚焦于$\Delta c_3^{\psi K} \propto \xi^{LL}_3 e^{i\phi_L}$和$\Delta c_9^{\psi K} \propto \xi^{LL}_9 e^{i\phi_L}$，其中$\phi_L$为新物理的CP相位。
• 计算直接CP不对称性$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$作为$\delta$和$\phi_L$的函数，显示当$|\delta| \sim 30^\circ$且$\phi_L \sim -90^\circ$时，$|\mathcal{A}_{J/\psi K^+}|$可达到百分之几。
• 通过$Z'$模型和第四代模型说明，若$\mathcal{S}_{J/\psi K^0}$与标准模型预测存在约-0.05的偏差，可能产生$\mathcal{A}_{J/\psi K^+} \sim$百分之几的不对称性。
• 基于约500M对$B\bar{B}$事例（Belle）和约2000M事例（2008年）的假设，推导出统计误差估计，预测统计误差将分别低于0.005和0.003。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1%或更高水平的直接CP不对称性$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$是否可作为B衰变中新物理的决定性探针？
• RQ2 新物理相位在电弱胶子或色抑制胶子振幅中如何通过理论机制在$B^+ \to J/\psi K^+$中产生较大的直接CP不对称性？
• RQ3 当前对$\mathcal{S}_{J/\psi K^0}$和$\mathcal{A}_{K^+\pi^0} - \mathcal{A}_{K^+\pi^-}$的实验测量，在新物理背景下如何约束$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$的大小？
• RQ4 需要多高的统计精度才能将$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$中的新物理信号与标准模型预期区分开来？
• RQ5 系统误差如何影响在千分之一量级下对$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$的测量，特别是在未来超级B工厂的背景下？

主要发现

• 若直接CP不对称性$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$达到1%或更高，将为新物理提供强有力证据，特别是当其由电弱胶子或色抑制胶子振幅中的新物理相位驱动时。
• 理论建模表明，当$|\delta| \sim 30^\circ$且$\phi_L \sim -90^\circ$时，$|\mathcal{A}_{J/\psi K^+}|$可达到百分之几，与$Z'$模型和第四代模型的预测一致。
• 在约500M对$B\bar{B}$事例下，$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$的统计误差可降低至0.005以下，使得2%的不对称性可被清晰探测。
• 目前世界平均值$\mathcal{A}_{J/\psi K^+} = 0.016 \pm 0.016$（PDG 2005）基于CLEO、Belle和BaBar的数据，但自2003年以来未更新，尚未达到统计显著性。
• 若结合$B^0 \to J/\psi K^0$的测量，误差可减少约10%，除非使用时间依赖分析以提高约束力。
• 未来在LHC（ATLAS、CMS、LHCb）的测量预计可实现对$\mathcal{A}_{J/\psi K^+}$的千分之一量级精度，可能直接测量标准模型的预期值。