[论文解读] Direct CP Violation in D Decays in view of LHCb and CDF Results

Bhubanjyoti Bhattacharya, Michael Gronau+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用 16

一句话总结

该论文提出，D介子衰变中观测到的直接CP破坏（ΔACP ≈ −0.7%）源于受CKM因子V*cbVub支配的CP破坏型penguin振幅的1/mc修正。在破损的SU(3)味对称性框架下，通过10%的U自旋破坏penguin振幅解释了D⁰→K⁺K⁻与D⁰→π⁺π⁻衰变之间的大宽度差异，预测了粲介子衰变中CP不对称性的相关性与特定符号模式。

ABSTRACT

The LHCb and CDF Collaborations have recently reported evidence for a CP asymmetry around -0.7% in $ΔA_{CP}$, the difference between $A_{CP}(D^0 o K^+ K^-)$ and $A_{CP}(D^0 o π^+π^-)$. In the Standard Model this effect may be accounted for by enhanced $1/m_c$ corrections in a CP-violating penguin amplitude governed by a Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) factor $V^*_{cb}V_{ub}$. A consistent scheme based on broken flavor SU(3) is presented relating Cabibbo-favored (CF) and singly-Cabibbo-suppressed (SCS) $D$ meson decay rates into two pseudoscalars. Two important ingredients supporting the above interpretation for $ΔA_{CP}$ are a large exchange amplitude in CF decays which is formally $1/m_c$-suppressed, and a pure $ΔU=0$ U-spin breaking CP-conserving penguin amplitude involving $V^*_{cs}V_{us}$ and $V^*_{cd}V_{ud}$ which accounts for the difference between the $D^0 o K^+K^-$ and $D^0 o π^+π^-$ decay rates. The magnitudes of the CP conserving and CP violating penguin amplitudes, where the former involves U-spin breaking at a level of 10%, are shown to be related to each other by the magnitudes of corresponding CKM factors. This simple scheme leads to preferable sign predictions for CP asymmetries in charmed meson decays into two pseudoscalars and to correlations between asymmetries in two pairs of these processes.

研究动机与目标

• 在标准模型内解释D⁰→K⁺K⁻与D⁰→π⁺π⁻衰变中观测到的直接CP破坏（ΔACP ≈ −0.7%）。
• 利用破损的SU(3)味对称性框架，解释|A(D⁰→K⁺K⁻)|/|A(D⁰→π⁺π⁻)| ≈ 1.8的大宽度比。
• 从1/mc对涉及V*cbVub的penguin振幅的修正中，识别CP破坏不对称性的起源。
• 基于一个具有未知强相位的单一复数penguin振幅，预测不同D衰变模式中CP不对称性之间的相关性。
• 提供可检验的新物理信号，例如ACP(D⁺→π⁺π⁰) > 0.1%的非零值。

提出的方法

• 使用破损的味SU(3)方案，将Cabibbo允许（CF）与单Cabibbo抑制（SCS）D衰变振幅（进入两个伪标量）联系起来。
• 引入两个U自旋破坏源：(1) ΔU=1树振幅中衰变常数与形式因子的比值，以及(2) 纯ΔU=0的CP守恒penguin振幅。
• 将CP破坏penguin振幅Pb建模为与V*cbVub成正比，并通过1/mc修正增强其大小。
• 将U自旋破坏penguin振幅（P+PA）的大小归一化至测量得到的ΔACP，推断出10%的破坏尺度。
• 推导SCS衰变中的CP不对称性作为复数penguin振幅Pb及其未知强相δ的函数。
• 预测ACP(D⁰→π⁺π⁻)与ACP(D⁰→K⁺K⁻)之间，以及ACP(D⁰→π⁰π⁰)与ACP(D⁺→K⁺K̄⁰)之间的相关性，作为δ的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型中，D⁰→K⁺K⁻与D⁰→π⁺π⁻衰变中观测到的ΔACP ≈ −0.7%是否可由CP破坏penguin振幅的1/mc修正解释？
• RQ2 U自旋破坏在解释D⁰→K⁺K⁻与D⁰→π⁺π⁻衰变之间大宽度差异中起什么作用？
• RQ3 不同D衰变模式中CP不对称性之间的相关性如何约束penguin振幅的强相δ？
• RQ4 在考虑U自旋破坏效应的前提下，是否能用一个具有V*cbVub的复数penguin振幅Pb一致地解释测量到的不对称性？
• RQ5 哪些实验信号可排除或证实所提出的基于SU(3)的框架，特别是在D⁺→π⁺π⁰或D⁺→K⁺K̄⁰衰变中？

主要发现

• 测量得到的ΔACP ≈ −0.7%与涉及V*cbVub的CP破坏penguin振幅Pb一致，且其大小受1/mc修正增强。
• 为解释|A(D⁰→K⁺K⁻)|/|A(D⁰→π⁺π⁻)| ≈ 1.8的宽度比，需要一个10%的U自旋破坏penguin振幅（P+PA）。
• 该框架预测D⁰→π⁺π⁻、K⁺K⁻、π⁰π⁰与D⁺→K⁺K̄⁰衰变中的CP不对称性量级为若干×10⁻³，其符号模式取决于未知的强相δ。
• 预测了ACP(D⁰→π⁺π⁻)与ACP(D⁰→K⁺K⁻)之间，以及ACP(D⁰→π⁰π⁰)与ACP(D⁺→K⁺K̄⁰)之间的相关性，作为δ的函数。
• 若ACP(D⁺→π⁺π⁰) > 0.1%为非零值，将为新物理（特别是ΔI=3/2算符）提供明确证据。
• D⁰→K⁰K̄⁰衰变中无CP不对称性（因末态无u夸克）为Pb振幅提供了一个清晰的检验，任何偏离均暗示新物理。