[论文解读] Review and Report on Results of Leptonic Decays of $D^+$ and $D^+_s$ Mesons

G. Rong|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文综述并报告了来自 $e^+e^-$ 和固定靶实验的 $D^+$ 和 $D_s^+$ 介子轻子衰变的最新实验结果，重点在于对衰变常数 $f_{D^+}$ 和 $f_{D_s^+}$ 的精确测量，以及 CKM 矩阵元 $|V_{cd}|$ 和 $|V_{cs}|$ 的测定。利用来自 $e^+e^-$ 和固定靶实验的数据，研究对 $f_{D^+}$ 和 $f_{D_s^+}$ 的测量精度分别达到 2.4% 和 1.6%，并发现 $D_s^+$ 衰变得到的 $|V_{cs}|$ 与 CKMfitter 结果存在 2.2σ 的偏差，暗示可能存在超出标准模型的新物理。

ABSTRACT

In the last 25 years, many $e^+e^-$ experiments and fixed-target experiments performed to search for and study the leptonic decays of the $D^+$ and $D^+_s$ mesons. By 2012, more than 530 signal events of the $D^+$ leptonic decays and about $4 imes10^3$ signal events of the $D^+_s$ leptonic decays have been accumulated at these experiments. With these leptonic decay signal events, both decay constants $f_{D^+}$ and $f_{D_s^+}$ are, respectively, measured at an accuracy level of 2.4% and 1.6%, which can be used to more precisely test the LQCD calculations of the decay constants. Comparing these precisely measured $f_{D^+}$ and $f_{D_s^+}$ with those predicted with theories based on QCD provides some information about New Physics beyond the Standard Model. In addition to these, with the measured branching fractions for $D^+ ightarrow l^+ν$ and $D_s^+ ightarrow l^+ν$ decays, the CKM matrix elements $|V_{ m cd}|$ and $|V_{ m cs}|$ can be determined. Comparing these $|V_{ m cd}|$ and $|V_{ m cs}|$ to those determined from the CKMfitter or extracted from $D$ meson semileptonic decays can also provide some information about the New Physics. In this article, we review and report the results on the leptonic decays of $D^+$ and $D^+_s$ mesons measured at different experiments. For the results which have already been published, we review these in shorter summaries, while for the results which have not been published or have not been reported yet before we report these with more detailed discussion.

研究动机与目标

• 总结并报告来自 $e^+e^-$ 和固定靶实验的 $D^+$ 和 $D_s^+$ 介子轻子衰变的最新实验结果。
• 提供 $f_{D^+}$ 和 $f_{D_s^+}$ 的精确测量值，以检验格点 QCD（LQCD）计算。
• 从 $D^+$ 和 $D_s^+$ 轻子衰变中提取 CKM 矩阵元 $|V_{cd}|$ 和 $|V_{cs}|$，并与全局 CKM 拟合结果进行比较。
• 通过 $|V_{cs}|$ 和衰变常数的测量值与预测值之间的差异，探究新物理的可能信号。
• 为 BES-III 和 B 介子工厂实验的未来数据采集提供指导，以提高精度并检验标准模型。

提出的方法

• 利用来自多个 $e^+e^-$ 和固定靶实验（包括 BES-III、BELLE、BaBar 和 CLEO）的数据，收集 $D^+$ 和 $D_s^+$ 轻子衰变事例。
• 应用标准模型的理论框架，通过公式 $\Gamma(D_{(s)}^{+}\rightarrow l^{+}\nu_{l})=\frac{G^{2}_{F}f^{2}_{D_{(s)}^{+}}}{8\pi}|V_{\rm cd(s)}|^{2}m^{2}_{l}m_{D_{(s)}^{+}}\left(1-\frac{m^{2}_{l}}{m^{2}_{D_{(s)}^{+}}}\right)^{2}$ 计算衰变宽度。
• 执行事例重建与本底抑制，以分离出 $D^+ \to \mu^+\nu$ 和 $D_s^+ \to \mu^+\nu$、$\tau^+\nu$ 的衰变信号。
• 将实验测量的分支比与理论形式因子结合，以提取 $|V_{cd}|$ 和 $|V_{cs}|$。
• 将测量得到的 $f_{D^+}$ 和 $f_{D_s^+}$ 与格点 QCD 预测值进行比较，以验证理论计算。
• 分析来自 $D_s^+$ 衰变的 $|V_{cs}|$ 与全局 CKM 拟合结果之间的差异，以探测新物理。

实验结果

研究问题

• RQ1 截至 2012 年，来自 $D^+$ 和 $D_s^+$ 轻子衰变的 $f_{D^+}$ 和 $f_{D_s^+}$ 衰变常数的最精确实验测量结果是什么？
• RQ2 测量得到的 $f_{D^+}$ 和 $f_{D_s^+}$ 与格点 QCD 预测值相比如何？这对理论计算有何含义？
• RQ3 从 $D_s^+$ 轻子衰变中提取的 $|V_{cs}|$ 值与全局 CKM 拟合结果之间是否存在偏差？这暗示了什么？
• RQ4 观测到的 $|V_{cs}|$ 与 CKMfitter 结果相比存在 2.2σ 偏差的意义是什么？这是否可能指示新物理？
• RQ5 为进一步检验标准模型并寻找新物理，推荐哪些未来的数据采集策略？

主要发现

• BES-III 实验报告了目前世界上最精确的 $D^+ \to \mu^+\nu$ 分支比测量结果：$B(D^+ \to \mu^+\nu) = (3.74 \pm 0.21 \pm 0.06) \times 10^{-4}$。
• BES-III 合作组测得 $f_{D^+} = (203.9 \pm 5.7 \pm 2.0)$ MeV，不确定度为 2.4%，为格点 QCD 计算提供了严格的检验。
• BELLE 实验报告了 $D_s^+$ 衰变的最精确结果：$B(D_s^+ \to \mu^+\nu) = (0.528 \pm 0.028 \pm 0.019)$% 和 $f_{D_s^+} = (255.0 \pm 4.2 \pm 5.0)$ MeV，不确定度为 1.6%。
• 世界平均衰变常数为 $f_{D^+} = (205.3 \pm 5.1)$ MeV 和 $f_{D_s^+} = (256.8 \pm 4.1)$ MeV，其比值为 $f_{D_s^+}/f_{D^+} = 1.251 \pm 0.037$。
• 测量得到的比值 $f_{D_s^+}/f_{D^+}$ 比格点 QCD 预测值 $1.156 \pm 0.007$ 高出 2.5σ，表明与理论之间可能存在张力。
• 从 $D_s^+$ 轻子衰变中提取的 $|V_{cs}|$ 值比 $|V_{cs}|_{\rm CKMfitter}$ 值大 2.2σ，提示可能存在新物理信号。