τ→Ksπvτ衰变中CP不对称的研究

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CP破坏(Charge-Parity Violation,CP Violation)是粒子物理学中最有趣的研究课题之一。目前,我们已先后在K、B、D介子系统中观测到了弱相互作用的CP破坏现象,并且,所有这些结果都可以用粒子物理标准模型(Standard Model,SM)中描述三代夸克混合的Cabibbo-Kobayashi-Maskawa(CKM)矩阵的单个不可约相位来解释。然而,迄今为止,我们仍然不完全清楚CP破坏的根本起源。而且,在SM的框架下由CKM机制产生的CP破坏效应太小,以致无法解释观测到的宇宙中的正-反物质不对称性。因此,深入研究CP破坏的起源、进一步寻找其它体系中的CP破坏效应将会是一件非常有意义的事情。在这方面,τ轻子的半轻衰变,除了可作为干净的环境用于研究QCD的低能行为,也适合用于研究SM或超出SM的CP破坏效应。本论文将系统研究τ→KSπvτ过程衰变率以及角分布的CP不对称性。在这之前,我们首先在第2-4章简要介绍了相关的基础知识,包括SM、CP破坏、有效理论、色散关系等。接着,我们将专注于本论文的主体,主要包括以下两部分内容:τ→KSπvτ过程衰变率的CP不对称性2012年BaBar实验组首次测量到了τ→KSπvτ过程衰变率的CP不对称性,并发现测量结果与SM预言值之间存在2.8σ的偏差。基于这一现象,我们将在第5章对τ→KSπvτ过程进行详细的唯象研究,并重点讨论这一CP反常。由于实验上Ks是通过π+π-来重建的,我们通过引入reciprocal basis,对τ±→KS,Lπvτ→[π+π-]π±vτ过程进行了描述。我们的预言值与Grossman和Nir的结果一致,但与BaBar的测量值之间仍然存在2.8 σ的偏差。鉴于这个偏差可能来自于新物理(New Physics,NP)的贡献,我们分别在模型无关的框架下以及leptoquark模型下对该过程进行了系统研究。由于非零的直接CP破坏只能通过矢量和张量算符之间的干涉项产生,因此Kπ张量形状因子在这里扮演着极其重要的角色。为此,我们首次给出了 Kπ张量形状因子的色散表示形式,其中形状因子的相位是在共振态手征理论下得到的,同时这个形式也满足形状因子所需的解析性和幺正性。数值结果表明,当只加入τ→KSπ-vτ衰变分支比的限制时,在模型无关的框架下,即使在1σ误差范围内也有参数空间可以同时解释测量到的CP反常;但是,由于leptoquark模型中标量与张量算符之间存在着特殊的关系,该模型只能在2 σ的误差范围内微小的边界处可以同时解释测量到的CP反常。然而,即使我们不加入其它更强的限制,例如基于轻子味普适性假设下K介子的纯轻(半轻)衰变,以及基于弱电能标以上的相互作用应满足的SU(2)不变性对中子电偶极矩(electric dipole moment,EDM)以及D0-D0混合的限制等,而仅仅考虑τ→KSπ-vτ的分支比和不变质量谱的联合限制后,这些允许的空间也已经被排除掉。因此,无论在模型无关的框架下还是在leptoquark模型下,我们都不能解释BaBar实验测量到的CP不对称性。τ→KSπvτ过程角分布的CP不对称性受到第5章研究的启发,我们将在第6章中指出,K0-K0混合的CP破坏效应不仅可以引起τ→KSπvττ过程衰变率的CP不对称性,还可以引起同一过程角分布的CP不对称性。当把K0-K0混合的CP破坏效应考虑进来之后,我们首次指出,即使仅在SM框架内,我们也可以在τ→KSπvτ过程的角分布中观测到非零的CP不对称性。虽然我们的预言值低于当前Belle实验的探测灵敏度O(10-3),但是随着Belle-Ⅱ实验的开启,预期可以获得的50 ab-1的数据样本将把探测灵敏度提升√70倍,因此我们预计这些预言值可以在将来的Belle-Ⅱ实验上被探测到。
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