[論文レビュー] Non-Leptonic Decays of Beauty Hadrons -- from Phenomenology to Theory

I. I. Bigi, B. Blok+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 1994

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、ボトムクォークの質量の逆数のべき級数展開を用いて、非摂動的効果を体系的に取り扱うことで、ベータヒッグス粒子の非レプトン崩壊をQCDに基づく理論的枠組みで提示する。この理論は、B⁻とB⁰メソンの間で数パーセントの寿命の違いを予測し、半レプトン崩壊の分岐比に関して、QCDの予測と実験データとの間で不一致を特定しており、特異的崩壊モードの理論的・実験的精査の必要性を強調している。

ABSTRACT

`Anyone who keeps the ability to see beauty never grows old' Franz Kafka. In the last few years considerable progress has been achieved in our understanding of the decays of heavy flavour hadrons. One can now calculate inclusive transition rates in QCD proper through an expansion in inverse powers of the heavy flavour quark mass without recourse to phenomenological assumptions. The non-perturbative contributions are treated systematically in this way; they are found to produce corrections of order a few percent in beauty decays, i.e. typically somewhat smaller than the perturbative corrections. One finds, among other things: (a) The lifetime of $B^-$ mesons is predicted to be longer than that of $B^0$ mesons by several percent. (b) The QCD prediction for the semileptonic branching ratio of $B$ mesons appears to exceed present experimental values. We discuss the implications of this discrepancy. The phenomenological engineering that has been developed for the description of {\em exclusive} two-body modes of $B$ mesons has reached a mature stage and awaits more precise and detailed experimental tests. First steps towards a genuine QCD treatment of these modes are being made.

研究の動機と目的

• 現象論的仮定に依存せずに、ベータハドロンの非レプトン崩壊に対する体系的なQCD手法を構築すること。
• 重いクォーク質量の逆数の級数展開を用いて、包含的崩壊率における非摂動的寄与を定量的に評価すること。
• 半レプトン分岐比の理論的予測と実験的測定値との不一致を解消すること。
• Bメソンの特異的2体崩壊モードに対する厳密なQCD的取り扱いの土台を築くこと。
• 第一原理のQCD計算に基づいて、Bメソンの寿命と崩壊率についての定量的予測を提供すること。

提案手法

• 重いクォーク質量の逆数（1/m_b）の級数展開を用いて、包含的崩壊率に非摂動的効果を体系的に組み込む。
• 因子化定理とオペレータ積展開の技術を用いて、非レプトン崩壊における短距離および長距離寄与を分離する。
• 重いクォーク効果理論（HQET）を用いて、ハドロン状態における重いクォークの力学を記述する。
• 真空挿入近似と高次補正を用いて、局所的オペレータの行列要素を評価する。
• 理論的予測と半レプトン分岐比およびBメソンの寿命に関する実験データを比較する。
• オペレータレベルの解析を通じて、特異的2体崩壊の現象論的モデルを第一原理のQCD形式に発展させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCDにおけるベータハドロンの包含的非レプトン崩壊率に対する非摂動的補正の大きさはいかほどか？
• RQ2 なぜBメソンの半レプトン分岐比に対するQCDの予測値が現在の実験測定値を上回っているのか？
• RQ3 厳密なQCDフレームワークにおいて、B⁻とB⁰メソンの寿命はどのように比較されるか？
• RQ4 Bメソンの特異的2体崩壊モードは、第一原理のQCDでどの程度記述可能か？
• RQ5 非摂動的行列要素は、ベータハドロンの全崩壊幅を決定する上で果たす役割は何か？

主な発見

• 非摂動的効果のおかげで、B⁻メソンの寿命がB⁰メソンよりも数パーセント長いと予測されている。
• ベータ崩壊における非摂動的寄与は、通常の摂動的補正よりも小さいが、数パーセントのオーダーであることが判明した。
• Bメソンの半レプトン分岐比に対するQCDの予測値が、現在の実験的測定値を上回っていることから、理論的または実験的不一致の可能性が示唆されている。
• Bメソンの特異的2体崩壊モードは、熟練した現象論的フレームワークで記述可能であり、より高精度の実験的検証を待っている。
• 特異的崩壊の第一原理的QCD的取り扱いへの第一歩が踏み出されており、特異的崩壊振幅の第一原理的計算への道筋が示唆されている。
• 1/m_bにおける体系的展開により、包含的崩壊率における摂動的および非摂動的寄与の信頼できる分離が可能になった。