[论文解读] Theoretical perspective on rare and radiative charm decays

Svjetlana Fajfer|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 5被引用 8

一句话总结

本文综述了标准模型及其之外的稀有和辐射底夸克衰变，重点研究 $c \to u\gamma$ 和 $c \to ul^{+}l^{-}$ 衰变过程。分析了包括和非包括衰变模式，指出长程贡献占主导地位，并评估了CP破坏和新物理信号——尤其在 $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$ 和 $D \to X_u\ell^{+}\ell^{-}$ 中，新物理效应在特定情景下可能达到1–3%的水平。

ABSTRACT

Recent experimental bounds on rare charm decays offer a chance to improve our theoretical understanding of physics present in $c o u γ$ and $c o u l^+ l^-$ transitions. Standard Model and New Physics contributions are reviewed for inclusive and exclusive $D o Vγ$, $D^+ o π^+ l^+ l^-$, $D o l^+ l^-$ decays. Observables important for search of New Physics are discussed. Possibility to observe CP violation in rare charm decays is questioned.

研究动机与目标

• 评估稀有底夸克衰变中新物理（NP）的潜力，特别关注 $c \to u\gamma$ 和 $c \to ul^{+}l^{-}$ 衰变过程。
• 评估长程动力学在稀有底夸克衰变中对短程贡献的掩盖作用。
• 研究稀有底夸克衰变中CP破坏的可观测性，特别是在 $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$ 的 $\phi$ 共振能区附近。
• 提供用于检验新物理的模型无关可观测量，如微分和部分宽度CP不对称性。
• 利用LHCb对 $D \to \mu^{+}\mu^{-}$ 和 $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$ 的实验数据，对威尔逊系数施加约束，从而限制新物理。

提出的方法

• 使用包含威尔逊系数 $C_7$、$C_9$ 和 $C_{10}$ 的有效低能拉格朗日量，描述 $c \to u\gamma$ 和 $c \to ul^{+}l^{-}$ 衰变过程。
• 应用QCD求和规则和矢量介子主导模型，对 $D \to V\gamma$ 的选择性衰变进行建模，并预测分支比。
• 引入微分直接CP不对称性 $a_{\mathrm{CP}}(\sqrt{q^2})$ 和部分宽度CP不对称性 $A_{\mathrm{CP}}(m_1,m_2)$ 作为模型无关探测工具。
• 通过 $\mathcal{H}^s$ 中非因子化四夸克算符评估长程贡献，特别是在 $\phi$ 共振能区附近。
• 通过角分布不对称性——电偶极矩不对称性和前向-后向轻子对不对称性——评估新物理的敏感性，这些不对称性对 $C_9$ 和 $C_{10}$ 的新物理贡献敏感。
• 利用LHCb的实验约束，对有效威尔逊系数进行限制，并评估在 $D \to K^+K^-\gamma$、$D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$ 和 $D \to X_u\ell^{+}\ell^{-}$ 中新物理的探测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在如 $D \to X_u\ell^{+}\ell^{-}$ 和 $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$ 这类稀有底夸克衰变中探测到新物理？
• RQ2 长程效应在稀有底夸克衰变中对短程贡献的掩盖程度如何？
• RQ3 在 $D \to P\ell^{+}\ell^{-}$ 衰变中，特别是接近 $\phi$ 共振能区时，CP破坏是否可观测？
• RQ4 有哪些模型无关的可观测量可用于探测稀有底夸克衰变中的新物理？
• RQ5 来自 $D^0$-$\overline{D}^0$ 混合和B/K物理的约束如何影响底夸克衰变中新物理耦合？

主要发现

• 长程贡献主导稀有底夸克衰变，$BR(D \to X_u e^+e^-)^{LD} \sim \mathcal{O}(10^{-6})$，远超标准模型短程衰变率 $3.7 \times 10^{-9}$。
• 预测 $D^0 \to \overline{K}^{*0}\gamma$ 的分支比为 $1.5 \times 10^{-4}$，与LHCb实验值 $3.27(34) \times 10^{-4}$ 一致。
• 在 $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$ 中，由于CP守恒与CP破坏振幅之间的干涉，微分CP不对称性 $a_{\mathrm{CP}}$ 在 $\phi$ 共振能区附近可达到1%。
• 部分宽度CP不对称性 $A_{\mathrm{CP}}$ 在 $\phi$ 共振能区可达到百分之几，为新物理探测提供了高灵敏度。
• 在 $Z'$ 增强和超对称情景下，若 $C_9$ 和 $C_{10}$ 与味对称性约束相容，则 $D^0 \to h_1 h_2 \ell^{+}\ell^{-}$ 中新物理效应可达到约1%的水平。
• LHCb对 $D \to \mu^{+}\mu^{-}$ 和 $D^{+} \to \pi^{+}\mu^{+}\mu^{-}$ 的实验约束，对有效威尔逊系数施加了限制，提示在 $D \to K^+K^-\gamma$ 和 $D \to X_u\ell^{+}\ell^{-}$ 中可能存在新物理信号。