[论文解读] Neutral meson tests of time-reversal symmetry invariance

A. J. Bevan, G. Inguglia+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文提出了一项全面的实验计划，旨在通过e⁺e⁻对撞机产生的纠缠B和D介子对，在弱衰变中检验时间反演（T）对称性不变性。通过为b→u,d,s,c和c→d,s夸克跃迁引入新的CP滤波基，该方法实现了对T破坏的精确测量，补充了现有的CP不对称性研究，并在所有可及的夸克跃迁中探测Kobayashi-Maskawa机制。

ABSTRACT

The laws of quantum physics can be studied under the mathematical operation T that inverts the direction of time. Strong and electromagnetic forces are known to be invariant under temporal inversion, however the weak force is not. The BaBar experiment recently exploited the quantum-correlated production of pairs of B0 mesons to show that T is a broken symmetry. Here we show that it is possible to perform a wide range of tests of quark flavour changing processes under T in order to validate the Standard Model of particle physics covering b to u, d, s, and c transitions as well as c to u, d and s transitions using entangled B and D pairs created in Y(4S) and psi(3770) decays. We also note that pseudoscalar decays to two spin one particle final states provide an additional set of CP filter bases to use for T violation tests.

研究动机与目标

• 将BaBar实验已观测到的b→c跃迁之外的T对称性测试实验计划进一步拓展。
• 解决标准模型中b→u、d、s以及c→d、s夸克跃迁缺乏系统性T破坏测量的问题。
• 为利用纠缠介子对和正交CP滤波基，提供一个统一的框架，用于测试T、CP和CPT对称性。
• 通过T破坏可观测量，实现对Kobayashi-Maskawa相位和单位三角形角度的高精度约束。
• 通过概述可测量的T不对称性及其灵敏度，为未来B和τ-粲工厂的高统计量实验做好准备。

提出的方法

• 利用Υ(4S)和ψ(3770)衰变产生的量子关联B⁰B̄⁰和D⁰D̄⁰对，探测T共轭跃迁。
• 应用正交CP滤波基——如味特定衰变（例如半轻衰变B⁰→Xℓν）以及K⁰S/L、π⁰ Dalitz或矢量介子末态——以标记初态和末态。
• 构建T不对称性可观测量AT = [Γ(|1⟩→|2⟩) − Γ(|2⟩→|1⟩)] / [Γ(|1⟩→|2⟩) + Γ(|2⟩→|1⟩)]，以探测T破坏。
• 测量B⁰和D⁰系统中的时间依赖和时间积分不对称性ACP,T和ACP,CPT，以独立于CP破坏探测T破坏。
• 利用D⁰→K⁰SK⁰SK⁰L及其T共轭模式，以减少长程贡献，探测c→d和c→s跃迁中的T破坏。
• 将该方法扩展至LHC和B工厂中的B⁰s和D⁰系统，实现对CKM矩阵的交叉检验与过约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用纠缠B介子对，在b→u、d、s、c夸克跃迁中测量T对称性破坏？
• RQ2 如何构建新的CP滤波基，以在B和D衰变中分离出T破坏振幅？
• RQ3 未来e⁺e⁻和LHC实验在魅夸克和底夸克区对T破坏的预期灵敏度如何？
• RQ4 D⁰衰变中的T破坏不对称性与B⁰衰变中的相比如何？它们揭示了关于CKM机制的哪些信息？
• RQ5 能否测量完整的T、CP和CPT不对称性，以对Kobayashi-Maskawa相位和单位三角形实现过约束？

主要发现

• 本文识别出新的正交CP滤波基，如K⁰S/L、π⁰ Dalitz和矢量介子末态，可实现B和D衰变中T破坏的清晰测量。
• 预测b→d和b→s跃迁中的T破坏效应在量级上应与b→c跃迁中观测到的效应相当，二者均对单位三角形角度β敏感。
• b→u跃迁中的T破坏预计较小，对应于角度α，因此更难测量，但通过高统计量数据仍可实现。
• 对D⁰→K⁰SK⁰SK⁰L及其T共轭模式的测量，为在c→d和c→s跃迁中探测T破坏提供了可行路径，且长程贡献更少。
• 所提出的计划可通过T、CP和CPT对称性可观测量，实现对CKM机制的系统性、多通道检验，从而对标准模型实现过约束。
• 对B和τ-粲工厂未来实验的灵敏度进行了估算，表明高统计量样本对于实现这些T破坏测试所需的精度至关重要。