[论文解读] Testing the quantum arrow of time in weak decays

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

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 1

一句话总结

本文提出利用Y(4S)和psi(3770)衰变中产生的量子纠缠B0与D介子对，测试弱衰变中所有夸克味变过程（b→u,d,s,c 以及 c→u,d,s）的时间反演（T）对称性。结果表明，这些纠缠态可实现对T对称性破坏的稳健检验，其中胶子介子衰变至两个自旋-1终态为增强对T对称性破坏的CP滤波提供了新方法。

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

• 验证标准模型在所有夸克味转变过程中对T对称性破坏的预测。
• 将T对称性破坏的检验从已知的b→c转变扩展至b→u,d,s及c→u,d,s转变。
• 利用Y(4S)和psi(3770)衰变中产生的量子关联B0与D介子对作为时间反演对称性的探测工具。
• 识别新的实验基——特别是衰变至两个自旋-1终态的标量介子——以增强T对称性破坏测量中的CP滤波能力。

提出的方法

• 利用Y(4S)→B0B̄0和psi(3770)→D0D̄0衰变中产生的B0-B̄0与D0-D̄0对的量子纠缠特性。
• 对纠缠对进行时间有序衰变序列分析，比较正向与反向衰变过程。
• 应用CP滤波技术，利用具有明确自旋与角动量关联的终态，以分离T奇可观测量。
• 利用衰变至两个自旋-1粒子的标量介子作为新的CP滤波基，以增强对T对称性破坏的敏感度。
• 构建对时间反演奇矩阵元敏感的T奇关联函数，用于探测夸克味变过程中的T奇矩阵元。
• 通过分析时间反演过程之间的衰变率不对称性，检测T对称性破坏。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用纠缠B-D对，在所有夸克味变过程（b→u,d,s,c 以及 c→u,d,s）中测试T对称性破坏？
• RQ2 量子关联的B0与D介子衰变如何实现对弱衰变中T对称性破坏的观测？
• RQ3 衰变至两个自旋-1终态的标量介子在增强T对称性破坏测试中的CP滤波能力方面起什么作用？
• RQ4 BaBar实验中T对称性破坏的结果能否通过相同的纠缠对框架推广至包含所有夸克味转变？
• RQ5 哪些最优终态与关联可观测量可最大化对弱衰变中T对称性破坏的探测灵敏度？

主要发现

• 来自Y(4S)和psi(3770)衰变的纠缠B0与D介子对为在所有夸克味变过程中测试T对称性破坏提供了通用平台。
• 该方法使b→u, d, s, c及c→u, d, s转变中的T对称性破坏研究成为可能，突破了以往仅限于b→c转变的分析范围。
• 衰变至两个自旋-1终态的标量介子被识别为一类新型CP滤波基，显著提升了T对称性破坏测量的灵敏度。
• 该框架可通过量子纠缠实现对时间反演衰变振幅的直接比较，从而实现与模型无关的T对称性检验。
• 该方法为标准模型中所有已知弱味变过程提供了统一且可推广的T对称性破坏探测途径。
• 利用纠缠态可实现高精度的T对称性检验，相比单衰变分析，系统误差显著降低。