[論文レビュー] Analysis of $B_{c} --> D_{s}^{*}\ell^{+}\ell^{-}$ in the Standard Model Beyond Third Generation

Ishtiaq Ahmed, M. Jamil Aslam+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、第4世代を含む標準模型（SM4）において、$B_c \to D_s^{*}\ell^+\ell^-$崩壊を検討し、質量300–600 GeVの追加のクォーク（$t'$, $b'$）と特定のCKM行列要素が崩壊観測量に与える影響に注目する。フォワードバックワード非対称性のゼロ位置、レプトンの極化、スピン状態分率に顕著なずれが生じ、特に$\mu^+\mu^-$および$\tau^+\tau^-$モードで顕著であり、第4世代クォークの間接的探索に寄与する。

ABSTRACT

The weak decays of B_{c} --> D_{s}^{*}l^{+}l^{-} (l=mu,tau) are investigated in the Standard Model with fourth generation (SM4). Taking fourth generation quark mass m_{t'} of about 300 to 600 GeV with the CKM matrix elements V_{t'b}^{*}V_{t's} in the range (0.03-1.2)*10^{-2} and using the new CP odd phase (phi_{sb}) to be 90^{o} the analysis of decay rates, forward-backward asymmetries, lepton polarization asymmetries and the helicity fractions of D_{s}^{*} meson in B_{c} --> D_{s}^{*}l^{+}l^{-} (l=mu,tau) is made. It is shown that the values of these physical observables are greatly influenced by the effects of extra sequential quark generation in the SM. It is found that the zero position of the forward-backward asymmetry in B_{c} --> D_{s}^{*} mu^{+} mu^{-} deviates significantly from that of the SM value while the effects in the decay rate, helicity fractions of D_s^{*} meson and the lepton polarization asymmetries are also quite promising. In B_{c} --> D_{s}^{*} tau^{+} tau^{-} decay, the SM4 the NP effects are somewhat mild in the decay rate and forward-backward asymmetry but they have shown them up in the longitudinal and transverse lepton polarization and also in the helicity fractions of the D_{s}^{*} meson which differ distinctively from the SM values. Thus the study of these physical observables will provide us useful information to probe new physics and helps us to search for the fourth generation of quarks (t',b') in an indirect way.

研究の動機と目的

• 標準模型の枠組み内で第4世代クォークの影響が$B_c \to D_s^{*}\ell^+\ell^-$崩壊に与える影響を調査すること。
• 質量300–600 GeVの$t'$および$b'$クォークの存在が、崩壊断面積や非対称性などの主要な崩壊観測量に与える変化を調査すること。
• 第3世代を超える新しい物理の影響を、フォワードバックワード非対称性、レプトンの極化、および$D_s^{*}$のスピン状態分率にどのように感受できるかを評価すること。
• $B_c$崩壊の高精度測定を通じて、第4世代クォークを間接的に探るためのシグネチャを提供すること。

提案手法

• 質量$m_{t'}$が300–600 GeVの範囲にある第4世代クォークを含むように標準模型のラグランジアンを拡張すること。
• CP非対称位相$\phi_{sb} = 90^\circ$とCKM行列要素$V_{t'b}^*V_{t's}$を$(0.03-1.2)\times10^{-2}$の範囲に設定し、新しい物理効果をモデル化すること。
• 有効場理論的手法を用いて、崩壊断面積、フォワードバックワード非対称性、レプトン極化非対称性、$D_s^{*}$のスピン状態分率を計算すること。
• SM4の結果を標準モデルの予測と比較し、新しい物理を示唆するずれを特定すること。
• フレーバー依存性の感受性を評価するため、$\ell = \mu$および$\ell = \tau$の最終状態に焦点を当てる。
• スピン状態振幅および角度分布の形式的手段を用いて、極化および非対称性観測量を抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第4世代クォーク（$t'$, $b'$）は、$B_c \to D_s^{*}\mu^+\mu^-$におけるフォワードバックワード非対称性のゼロ位置にどのように影響を与えるか？
• RQ2 SM4における新しい物理効果は、$B_c \to D_s^{*}\ell^+\ell^-$における$D_s^{*}$メソンの崩壊断面積およびスピン状態分率にどの程度の変化をもたらすか？
• RQ3 $B_c \to D_s^{*}\tau^+\tau^-$におけるレプトン極化非対称性は、SM4と標準模型とでどのように異なるか？
• RQ4 $D_s^{*}$のスピン状態分率およびレプトン極化観測量は、第4世代クォークの感受性に優れたプローブとして機能するか？
• RQ5 この崩壊モードにおいて、$\mu^+\mu^-$と$\tau^+\tau^-$最終状態の両方における新しい物理の相対的影響は何か？

主な発見

• $B_c \to D_s^{*}\mu^+\mu^-$におけるフォワードバックワード非対称性のゼロ位置は、第4世代効果により標準模型の予測から顕著にずれる。
• $B_c \to D_s^{*}\mu^+\mu^-$における崩壊断面積およびフォワードバックワード非対称性は、SM4下で測定可能なずれを示しており、新しい物理に感受可能であることを示唆する。
• $B_c \to D_s^{*}\tau^+\tau^-$において、レプトンの縦方向および横方向極化非対称性は、標準模型の値から顕著にずれ、新しい物理のシグネチャを示している。
• $B_c \to D_s^{*}\tau^+\tau^-$における$D_s^{*}$メソンのスピン状態分率は、SM4下で標準模型の予測とは明確に異なり、新しい物理に感受可能である。
• レプトン極化および$D_s^{*}$スピン状態分率への影響は、$\tau^+\tau^-$チャンネルにおいて$\mu^+\mu^-$チャンネルよりも顕著に強い。
• 総合的に、これらの観測量は、特に$t'$および$b'$クォークの存在を間接的に探る強力なプローブを提供する。