[论文解读] LHCb $\bigtriangleup A_{CP}$ of $D$ meson and R-Parity Violation

Xue Chang, Ming-Kai Du+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出，通过特定的 $\lambda'^\prime_{122}$ 和 $\lambda'^\prime_{112}$ 耦合，R-宇称破坏的超对称理论（RPV-SUSY）可解释在 $D$ 介子衰变中观测到的大直接CP破坏现象，其 $\Delta A_{CP}^{\text{dir}} \approx -0.82\%$，同时保持 $K$ 介子和 $B$ 介子中的CP破坏与标准模型（SM）预测一致。这种增强源于树图与胶子对胶子图之间通过RPV相互作用介导的振幅之间的干涉，该机制选择性地放大了 $D$ 介子的CP不对称性，而不会触发来自 $K$ 或 $B$ 介子衰变的实验约束。

ABSTRACT

LHCb collaboration has recently announced a measurement of the difference of time-integrated CP asymmetries between $D ightarrow K^+K^-$ and $D ightarrow π^+π^-$. This result provides the evidence of large direct CP violation in $D$ meson and reveals some important implications on underlying new physics. It is shown that the direct CP violation in $D$ meson can be enhanced by R-parity violating supersymmetry, while CP violations in $K$ and $B$ mesons are suppressed by this new physics, which is in consistence with previous experiments. Constraints on the model parameters and some consequences are also discussed.

研究动机与目标

• 解释观测到的$D$介子衰变中显著偏离标准模型预测的大直接CP破坏现象，即$\Delta A_{CP}^{\text{dir}} \approx -0.82\%$。
• 探讨R-宇称破坏的超对称理论是否能增强$D$介子的CP破坏，同时抑制$K$和$B$介子体系中的贡献。
• 利用轻子味违反和$D$介子CP不对称性的实验限制，约束RPV-SUSY的参数空间。
• 识别该RPV-SUSY模型中预测的标量夸克和奇异衰变链在大型强子对撞机（LHC）上的可观测信号。

提出的方法

• 使用包含CKM相位的SM振幅（包括树图和胶子对胶子图）来建模$D^0 \to \pi^+\pi^-$和$D^0 \to K^+K^-$衰变中的直接CP不对称性。
• 引入R-宇称破坏耦合$\lambda'^\prime_{122}$和$\lambda'^\prime_{112}$，以生成与SM振幅相互干涉的新胶子对胶子图和树图振幅。
• 通过时空类胶子动量的解析延拓方法估算新振幅的虚部，同时结合强子矩阵元和夸克质量。
• 推导出总直接CP不对称性作为RPV耦合的函数，并与LHCb的测量结果进行比较。
• 应用轻子味违反和$K$介子CP破坏的实验约束，以限制$\lambda'^\prime_{ijk}$耦合的允许参数空间。
• 利用不变质量重建和运动学截断，预测LHC上可观测的信号，如$\tilde{q}\tilde{q}$和$\tilde{q}e$的产生，以及具有奇异末态的衰变。

实验结果

研究问题

• RQ1 R-宇称破坏的超对称理论能否在不破坏$K$和$B$介子CP破坏的前提下，解释$D$介子衰变中观测到的$\Delta A_{CP}^{\text{dir}} \approx -0.82\%$？
• RQ2 哪些特定的RPV耦合（$\lambda'^\prime_{ijk}$）是产生$D$介子直接CP破坏增强所必需的？
• RQ3 $K$介子和$B$介子CP破坏的约束如何限制$\lambda'^\prime_{122}$和$\lambda'^\prime_{112}$的允许取值？
• RQ4 该RPV-SUSY模型中预测的标量夸克和奇异衰变的可行LHC信号是什么？
• RQ5 为何RPV机制会优先增强$D$介子中的CP破坏，而非$K$和$B$介子？

主要发现

• 该模型预测$A_{CP}^{\text{dir}}(D^0 \to \pi^+\pi^-) \approx 0.35\%$ 和 $A_{CP}^{\text{dir}}(D^0 \to K^+K^-) \approx -0.36\%$，导致$\Delta A_{CP}^{\text{dir}} \approx -0.71\%$，与LHCb测量值$-0.82\% \pm 0.25\%$接近。
• 在$D$介子CP破坏中的增强源于SM振幅与新RPV振幅之间的干涉，新贡献与$\mathrm{Im}(\lambda'^\prime_{122}\lambda'^\prime_{112*})$成正比，其大小相比SM胶子对胶子图贡献被增强了40倍。
• 该模型满足$K$介子CP破坏的实验约束，因为新图不产生实内部态，因此不会产生显著的虚部。
• 约束条件$|\lambda'^\prime_{i22}\lambda'^\prime_{i12*}| < 2.11 \times 10^{-5} \left(\frac{m_{\tilde{d}_{kR}}}{100\,\text{GeV}}\right)^2$ 导致 $m_{\tilde{d}_{R}} \geq 13\,m_{\tilde{e}}$，强烈限制了RPV-SUSY的参数空间。
• 该模型预测可通过标量夸克（$\tilde{q}\tilde{q}$）对产生和单态产生（$\tilde{q}e$）在LHC上产生可观测信号，其奇异末态可通过不变质量重建和运动学截断与标准模型背景区分开来。
• $D^0$-$\bar{D}^0$混合的新贡献可忽略不计，因其受CKM抑制；$K$介子混合也保持不变，因此与现有数据一致。