[论文解读] The CKM Matrix and the Unitarity Triangle

M. Battaglia, Andrzej J. Buras+38 more|ArXiv.org|Apr 14, 2003

Advanced Numerical Analysis Techniques被引用 116

一句话总结

本文利用K、D和B介子衰变的实验数据，对Cabibbo–Kobayashi–Maskawa（CKM）矩阵和单位三角形（UT）进行了全面分析。通过树图衰变、混合过程和全局拟合，评估了CKM参数的约束，同时评估了未来实验（如CKM、E391a和KOPIO）在探测稀有K介子衰变（如$K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$和$K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu}$）中的新物理影响，预计灵敏度分别达到$3 \times 10^{-14}$和$7.5 \times 10^{-13}$。

ABSTRACT

This report contains the results of the Workshop on the CKM Unitarity Triangle, held at CERN on 13-16 February 2002 to study the determination of the CKM matrix from the available data of K, D, and B physics. This is a coherent document with chapters covering the determination of CKM elements from tree level decays and K and B meson mixing and the global fits of the unitarity triangle parameters. The impact of future measurements is also discussed.

研究动机与目标

• 通过树图衰变、K-和B介子混合以及单位三角形参数的全局拟合，确定CKM矩阵元。
• 评估未来测量对约束单位三角形和检验标准模型的影响。
• 评估未来实验（如CKM、E391a和KOPIO）对稀有K介子衰变$K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$和$K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu}$的灵敏度。
• 利用同位旋关系和现有数据，提供$\Gamma(K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu})$的模型无关上限。
• 比较$K \to \pi \nu\bar{\nu}$衰变与$B_d$和$B_s$混合以及$a_{\rm CP}(B \to J/\Psi K_S)$的约束，以检验CKM机制。

提出的方法

• 利用K、D和B介子衰变的实验数据，通过树图衰变和混合过程确定CKM矩阵元。
• 在CKM拟合程序中使用贝叶斯统计对单位三角形参数进行全局拟合。
• 利用同位旋对称性，从$\Gamma(K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu})$测量推导$\Gamma(K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu})$的模型无关上限。
• 在CKM实验中使用光子拒收和环形成像契伦科夫探测器，以抑制$K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$中的本底。
• 在KEK的E391a实验中采用两阶段方法，先使用12 GeV/c束流，未来可能使用50 GeV/c的JHF束流以提高灵敏度。
• 在KOPIO实验中使用飞行时间测量和高精度电磁量能器，完整重建$K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu}$衰变的动量学，并通过数据驱动的拒收技术抑制本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 K、D和B物理数据对单位三角形参数的当前约束是什么？
• RQ2 未来实验（如CKM、E391a和KOPIO）如何提高对稀有K介子衰变$K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$和$K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu}$的灵敏度？
• RQ3 对$K \to \pi \nu\bar{\nu}$衰变分支比的测量在多大程度上能约束标准模型之外的新物理？
• RQ4 $a_{\rm CP}(B \to J/\Psi K_S)$和$\Delta M_{B_d}/\Delta M_{B_s}$的测量与$K \to \pi \nu\bar{\nu}$衰变速率相比，在检验CKM机制方面有何异同？
• RQ5 基于同位旋对称性和现有$K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$数据，$\Gamma(K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu})$的模型无关上限是多少？

主要发现

• 利用同位旋关系和BNL-E787对$K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$的测量结果，$\Gamma(K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu})$的上限在90%置信水平下被约束为$1.7 \times 10^{-9}$。
• CKM实验预计将在本十年后半期开始取数，目标是通过飞行衰变和先进的本底抑制技术，提升对$K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$的灵敏度。
• E391a的第一阶段预计可将${\cal B}(K^0_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu})$的极限提高至接近标准模型预测值的一个数量级。
• E391a的第二阶段目标是实现$3 \times 10^{-14}$的单事件灵敏度，使用JHF束流可探测约1000个SM事件。
• KOPIO的目标是实现$7.5 \times 10^{-13}$的单事件灵敏度，在信号与本底比为2的情况下可探测40个SM事件，实现对$\bar{\eta}$或$\cal J$约10%的精度。
• 将$K \to \pi \nu\bar{\nu}$衰变速率与$B_d$和$B_s$混合以及$a_{\rm CP}(B \to J/\Psi K_S)$的测量进行比较，显示与标准模型高度一致，未来实验有望以高精度检验该一致性。