[논문 리뷰] Analysis of $B_{c} --> D_{s}^{*}\ell^{+}\ell^{-}$ in the Standard Model Beyond Third Generation

Ishtiaq Ahmed, M. Jamil Aslam외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 제4세대(표준모형4, SM4)에서 $B_c \to D_s^{*}\ell^+\ell^-$ 붕괴를 표준모형 틀 안에서 조사하며, 질량 300–600 GeV인 추가 쿼크($t'$, $b'$)와 특정 CKM 행렬원소가 붕괴 관측량에 미치는 영향을 집중적으로 분석한다. 연구 결과, 전방-후방 비대칭의 영점, 레프톤 편광, 스핀 분율에 중대한 이질성이 나타나며, 특히 $\mu^+\mu^-$ 및 $\tau^+\tau^-$ 모드에서 두드러진다. 이는 제4세대 쿼크를 간접적으로 탐지할 수 있는 근거를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 틀 안에서 제4세대 쿼크가 $B_c \to D_s^{*}\ell^+\ell^-$ 붕괴에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 질량 300–600 GeV 사이의 $t'$ 및 $b'$ 쿼크 존재가 붕괴율 및 비대칭성과 같은 핵심 붕괴 관측량에 어떻게 영향을 미치는지 탐색하는 것.
• 제3세대를 초월한 새로운 물리 현상에 대한 전방-후방 비대칭, 레프톤 편광, $D_s^{*}$ 스핀 분율의 민감도를 평가하는 것.
• 정밀 측정을 통한 $B_c$ 붕괴를 통해 제4세대 쿼크, 특히 $t'$ 및 $b'$를 간접적으로 탐지할 수 있는 서명을 제공하는 것.

제안 방법

• 질량 $m_{t'}$가 300–600 GeV 범위에 있는 제4세대 쿼크를 포함하도록 표준모형 라그랑지안을 수정하는 것.
• CP-홀수 위상 $\phi_{sb} = 90^\circ$와 CKM 행렬원소 $V_{t'b}^*V_{t's}$가 $(0.03-1.2)\times10^{-2}$ 범위에 있도록 새로운 물리 효과를 모델링하는 것.
• 효과적 장 이론 기법을 사용해 붕괴율, 전방-후방 비대칭, 레프톤 편광 비대칭, $D_s^{*}$ 스핀 분율을 계산하는 것.
• SM4 결과를 표준 SM 예측과 비교하여 새로운 물리 현상의 징후로 볼 수 있는 이질성을 규명하는 것.
• 맛에 따라 민감도가 다를 수 있음을 고려하여 $\ell = \mu$ 및 $\ell = \tau$ 최종 상태 모두에 초점을 맞추는 것.
• 스핀 분율 및 각도 분포 형식을 활용해 편광 및 비대칭 관측량을 추출하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제4세대 쿼크($t'$, $b'$)는 $B_c \to D_s^{*}\mu^+\mu^-$에서 전방-후방 비대칭의 영점 위치에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 SM4에서의 새로운 물리 효과는 $B_c \to D_s^{*}\ell^+\ell^-$에서 $D_s^{*}$ 메손의 붕괴율과 스핀 분율에 어느 정도 변화를 주는가?
• RQ3 $B_c \to D_s^{*}\tau^+\tau^-$에서 레프톤 편광 비대칭은 SM4와 표준모형 간에 어떻게 다를까?
• RQ4 $D_s^{*}$ 스핀 분율과 레프톤 편광 관측량은 제4세대 쿼크 탐지에 민감한 탐사 도구로 활용될 수 있는가?
• RQ5 이 붕괴 모드에서 $\mu^+\mu^-$와 $\tau^+\tau^-$ 최종 상태 간에 새로운 물리 효과의 상대적 영향은 어떠한가?

주요 결과

• $B_c \to D_s^{*}\mu^+\mu^-$에서 전방-후방 비대칭의 영점 위치가 제4세대 효과로 인해 표준모형 예측에서 중대하게 이격됨.
• $B_c \to D_s^{*}\mu^+\mu^-$에서 붕괴율과 전방-후방 비대칭이 SM4 조건에서 측정 가능한 이질성을 보이며, 새로운 물리 현상에 대한 민감도를 시사함.
• $B_c \to D_s^{*}\tau^+\tau^-$에서 종방향 및 횡방향 레프톤 편광 비대칭이 표준모형 값에서 뚜렷한 이격을 보이며, 새로운 물리 현상의 징후로 작용함.
• SM4 조건에서 $D_s^{*}$ 메손의 스핀 분율은 표준모형 예측과 뚜렷하게 다름으로써, 새로운 물리 현상에 대한 민감도가 향상됨.
• 레프톤 편광 및 $D_s^{*}$ 스핀 분율에 대한 영향은 $\mu^+\mu^-$ 채널보다 $\tau^+\tau^-$ 채널에서 더 두드러짐.
• 종합적으로 이러한 관측량들은 제4세대 쿼크, 특히 $t'$ 및 $b'$ 존재 여부를 강력하게 간접 탐지할 수 있는 도구를 제공함.