[论文解读] Enhanced charm CP asymmetries from final state interactions

I. Bediaga, T. Frederico+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出，在标准模型内，通过 $\pi\pi \to KK$ 强子散射介导的末态相互作用（FSI），$D^0 \to \pi^+\pi^-$ 和 $D^0 \to K^+K^-$ 衰变中的 CP 不对称性可被增强。利用 CPT 不变性、Watson 定理及实验测量的分支比，该研究预测 $A_{CP}(\pi\pi) \approx 1.14 \times 10^{-3}$ 和 $A_{CP}(KK) \approx -0.41 \times 10^{-3}$，与 LHCb 实验数据一致，并在无需引入新物理的情况下解释了观测到的 $\Delta A_{CP} \approx -1.54 \times 10^{-3}$。

ABSTRACT

We show that final state interactions (FSI) within a CPT invariant two-channel framework can enhance the charge-parity (CP) violation difference between $D^0 oπ^-π^+$ and $D^0 o K^-K^+$ decays up to the current experimental value. This result relies upon: (i) the dominant tree level diagram, (ii) the well-known experimental values for the $D^ 0 oπ^-π^+$ and $D^ 0 o K^-K^+$ branching ratios, and (iii) the $ππ o ππ$ and $ππ o K K $ scattering data to extract the strong phase difference and inelasticity. Based on well-grounded theoretical properties, we find the sign and bulk value of the $ΔA_{CP}$ and $A_{CP}(D^0 o π^-π^+)$ recently observed by the LHCb Collaboration.

研究动机与目标

• 解释 LHCb 观测到的 $\Delta A_{CP} = A_{CP}(K^+K^-) - A_{CP}(\pi^+\pi^-) \approx -1.54 \times 10^{-3}$ 而无需引入新物理。
• 证明 $\pi\pi$ 和 $KK$ 强子通道中的末态相互作用可通过强相位干涉产生显著的 CP 破坏。
• 利用 CPT 不变性和 Watson 定理，推导出 $A_{CP}$ 值与分支比之间的模型无关关系。
• 基于实验输入和 FSI 效应，预测 $D^0 \to \pi^+\pi^-$ 和 $D^0 \to K^+K^-$ 衰变的独立 $A_{CP}$ 值。

提出的方法

• 应用 CPT 不变性，关联 $D^0$ 与 $\bar{D}^0$ 的衰变宽度，并在双通道框架下保证 S 矩阵的幺正性。
• 利用 Watson 定理，将 $\pi\pi \to KK$ 强子散射的强相位与 $D^0 \to \pi^+\pi^-$ 和 $D^0 \to K^+K^-$ 的衰变振幅联系起来。
• 引入 LHCb 及其他实验测得的 $D^0 \to \pi^+\pi^-$ 和 $D^0 \to K^+K^-$ 的分支比。
• 从 $\pi\pi \to \pi\pi$ 和 $\pi\pi \to KK$ 散射数据中提取强相位差与非弹性度，采用 1980 年代的实验值。
• 通过公式 (18) 和 (19) 推导出 $A_{CP}(\pi\pi)$ 与 $A_{CP}(KK)$ 的解析表达式，其以 $\Delta A_{CP}$ 和分支比为参数。
• 将预测结果与 LHCb 最新公布的独立 $A_{CP}$ 值进行对比，确认在 $2\sigma$ 范围内一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型内，$\pi\pi$ 与 $KK$ 通道中的末态相互作用是否能解释 $D^0$ 衰变中观测到的 $\Delta A_{CP}$？
• RQ2 CPT 不变性与 Watson 定理在通过强相位干涉产生 CP 不对称性中起什么作用？
• RQ3 仅凭 $\Delta A_{CP}$ 与分支比，能否预测 $D^0 \to \pi^+\pi^-$ 与 $D^0 \to K^+K^-$ 的独立 $A_{CP}$ 值？
• RQ4 观测到的 $|A_{CP}(\pi\pi)| > |A_{CP}(KK)|$ 结构是否与 FSI 驱动的 CP 破坏一致？
• RQ5 该机制对 S 波相移差与非对角 S 矩阵元施加了何种约束？

主要发现

• 该模型预测 $A_{CP}(\pi\pi) = (1.135 \pm 0.021) \times 10^{-3}$ 与 $A_{CP}(KK) = -(0.405 \pm 0.077) \times 10^{-3}$，在 $2\sigma$ 范围内与 LHCb 数据一致。
• 预测的 $\Delta A_{CP} = -1.54 \times 10^{-3}$ 与 LHCb 实验值相符，证实了该机制的可行性。
• 两者 $A_{CP}(\pi\pi)$ 与 $A_{CP}(KK)$ 的符号与大小均由 $\pi\pi \to KK$ 散射引起的、具有相反强相位的干涉所解释。
• 结果仅基于标准模型原理：CPT 不变性、Watson 定理与实验分支比，无需引入新物理。
• 该模型与最新 LHCb 结果一致：$A_{CP}^{LHCb}(\pi\pi) = (2.32 \pm 0.61) \times 10^{-3}$ 与 $A_{CP}^{LHCb}(KK) = (0.77 \pm 0.57) \times 10^{-3}$，尽管后者精度较低。
• 若未来数据证实 $A_{CP}(KK)$ 为正值，该 FSI 机制将被排除，凸显了一项关键可检验的预测。