[论文解读] Resonance enhancement of Charm CP

Amarjit Soni|arXiv (Cornell University)|May 2, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用 17

一句话总结

本文提出，位于约1723 MeV处的$f_0(1710)$标量共振态通过胶子-夸克环-树图干涉，同时提供强（CP守恒）和弱（CP奇）相位，从而增强粲夸克衰变中的直接CP破坏。该机制通过共振态介导的胶子图振幅解释了LHCb观测到的$\Delta A_{CP} = (-15.4 \pm 2.9) \times 10^{-4}$。$\eta(1760)$可能影响多粒子末态及辐射衰变，如$D^0 \to \gamma\rho$、$D^0 \to \gamma\phi$，这些过程为标准模型的精确检验提供了清晰的测试途径。

ABSTRACT

It is suggested that a nearby $0^{++}$ resonance, $f_0$(1710) of mass $m_f=1723 MeV$ and width $Γ=139$ MeV is playing a significant role in efficiently providing the strong (CP-conserving) and weak (CP-odd) phase simultaneously in the recently observed direct CP asymmetry $ΔA_{CP}$ by the LHCb collaboration. The direct CP arises by the well known penguin-tree interference wherein the virtual b-quark in the c-u penguin is the source of the Kobayashi-Maskawa CP-odd phase, $γ$, in the SM. Loop (penguin) corrections generate left-right operators enhancing coupling to the $0^{++}$ scalar resonance. The scalar resonance is likely rich in gluonic content perhaps leading to a better understanding of large breaking of flavor SU(3) that has been known for a long-time. Approximate calculations give a rough understanding of the observed size of the CP asymmetry. The mechanism leads to several interesting implications which can be experimentally studied and tested. Moreover, in an analogous fashion to $f_0$, 4-quark operators also generate $P imes P$, P being a pseudo-scalar bilinear, which may be dominated by the nearby $η(1760)$ of width about 250 MeV that can influence final states such as 4 $π$'s, $η^{\prime}(η) + π^+ + π^-$ etc which could exhibit CP violating triple correlation or energy asymmetries. We also briefly discuss CP violation in radiative charm decays and suggest that simple final states $γρ$ and $γϕ$ are best suited for sizeable asymmetries as well as providing precise tests of the SM.

研究动机与目标

• 解释LHCb近期观测到的粲夸克衰变中直接CP不对称性$\Delta A_{CP} = (-15.4 \pm 2.9) \times 10^{-4}$。
• 识别附近共振态（特别是$f_0(1710)$和$\eta(1760)$）在介导CP守恒与CP奇相位中的作用。
• 预测在如$D^0 \to \gamma\rho$和$D^0 \to \gamma\phi$等辐射衰变中可观测的CP不对称性，以实现对标准模型的高精度检验。
• 提出共振态增强效应可解决粲夸克衰变中长期存在的味SU(3)对称性精确破缺与非微扰QCD动力学问题。

提出的方法

• 在粲夸克衰变中使用胶子-树图干涉，其中c-u胶子图中的虚b夸克产生Kobayashi-Maskawa CP奇相位$\gamma \approx 73.5^\circ$。
• 将$f_0(1710)$共振态建模为通过末态相互作用提供强（CP守恒）相位的来源，其宽度$\Gamma = 139$ MeV捕捉了相位移$\delta_{st}$。
• 对QCD胶子图算符$Q_5, Q_6$应用Fierz重排，以生成耦合至$0^{++}$和$0^{-+}$共振态的标量与赝矢量流。
• 预测$\eta(1760)$（宽度$\sim 250$ MeV）将主导多粒子末态（如$4\pi$、$\eta' + \pi^+\pi^-$），并促进CP破坏的三重相关观测。
• 分析$D^0 \to \gamma\rho$和$D^0 \to \gamma\phi$的辐射衰变作为CP不对称性的理想通道，因其弱湮灭图主导且具有CPT奇的符号结构。
• 提出使用格点QCD与现象学方法计算$\alpha_{\gamma\rho}$和$\alpha_{\gamma\phi}$的精确标准模型预测，其中$\Delta A^\gamma_{CP} = \alpha_{\gamma\phi} - \alpha_{\gamma\rho}$为关键可观测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型框架内，如何解释LHCb在粲夸克衰变中观测到的直接CP不对称性$\Delta A_{CP} = (-15.4 \pm 2.9) \times 10^{-4}$？
• RQ2 附近共振态（如$f_0(1710)$和$\eta(1760)$）在介导粲夸克衰变中CP守恒与CP奇相位方面发挥何种作用？
• RQ3 如$D^0 \to \gamma\rho$和$D^0 \to \gamma\phi$等辐射衰变是否可能表现出足够大的CP不对称性，以适用于标准模型的高精度检验？
• RQ4 通过$f_0(1710)$和$\eta(1760)$的共振增强效应，如何解决粲夸克衰变中长期存在的大味SU(3)对称性破缺问题？
• RQ5 这些共振态对多粒子末态中的能量不对称性与三重相关可观测量有何影响？

主要发现

• $f_0(1710)$共振态（质量$m_f = 1723$ MeV，宽度$\Gamma = 139$ MeV）通过末态相互作用提供强（CP守恒）相位，是实现观测到的$\Delta A_{CP}$的关键因素。
• 涉及虚b夸克的胶子图振幅产生Kobayashi-Maskawa CP奇相位$\gamma \approx 73.5^\circ$，使与树图振幅发生干涉，从而产生直接CP破坏。
• $\eta(1760)$共振态（宽度$\sim 250$ MeV）被预测将主导多粒子末态（如$4\pi$和$\eta' + \pi^+\pi^-$），并在其中产生CP破坏的三重相关可观测量。
• 预测辐射衰变$D^0 \to \gamma\rho$和$D^0 \to \gamma\phi$将表现出显著的CP不对称性，其中$\alpha_{\gamma\rho}$预计大于$\alpha_{\gamma\phi}$，原因在于分支比更小且$\bar{u}u \to \bar{s}s$抑制效应更强。
• 差值$\Delta A^\gamma_{CP} = \alpha_{\gamma\phi} - \alpha_{\gamma\rho}$预计可被测量，并提供一个清晰、CPT一致的可观测量，用于检验标准模型。
• 识别出格点QCD与现象学方法是计算$\alpha_{\gamma\rho}$和$\alpha_{\gamma\phi}$精确标准模型预测的可行工具，从而实现对新物理的高精度检验。