[논문 리뷰] Angular distributions of $\bar B o D^{(\ast)}\ell\bar ν_\ell$ decays and search of New Physics

Damir Bečirević, Svjetlana Fajfer외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 헬리시티 앙피츄드를 사용하여 $\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}_\ell$ 붕괴의 완전한 각도 분포를 유도함으로써, 각도 관측량을 통한 모형에 종속되지 않는 뉴트론 물리학(NP) 분석을 가능하게 한다. 뉴클레온 표준모형을 벗어난 상호작용에 민감한 특정 각도 계수를 규명하고, $D^*$ 붕괴에서 $S$-파 $D\pi$ 오염 문제를 다루며, $D_0^*$ 상태에 대한 브라이트-존슨 근사의 타당성을 검증할 수 있는 두 가지 측정 가능한 양이 존재함을 보여준다.

ABSTRACT

We derive the expressions for the full angular distributions of $\bar B o D\ell\bar ν_\ell$ and $\bar B o D^{\ast }\ell\bar ν_\ell$ decays and discuss the spectra on each angle separately. The coefficient functions, depending on helicity amplitudes, can then be combined in an ensemble of observables which can then be used to check for the presence of New Physics. We examine the sensitivity of each of these observables on the presence of non-Standard Model interaction terms at low energies. The expressions presented here are general and can be used for studying any other semileptonic pseudoscalar to pseudoscalar/vector meson decay. We also examine the problem of pollution of the $\bar B o D^{\ast}( o Dπ)_S\ell\bar ν_\ell$ decay sample by the $\bar B o D_0^{\ast}( o Dπ)\ell\bar ν_\ell$ events, and point out that a measurement of two particular quantities could clarify whether or not the $(Dπ)_{S- m wave}$ in the vicinity of $D^\ast$-peak is (approximately) described by the Breit-Wigner formula.

연구 동기 및 목표

• 모형에 종속되지 않는 뉴트론 물리학(NP) 감도를 확보하기 위해 헬리시티 앙피츄드를 기반으로 $\bar{B} \to D\ell\bar{\nu}_\ell$ 및 $\bar{B} \to D^*\ell\bar{\nu}_\ell$ 붕괴의 전체 각도 분포를 유도하는 것.
• 특히 $R_{D^{(*)}}$ 이질현상의 맥락에서 뉴클레온 표준모형을 벗어난 상호작용에 민감한 각도 관측량의 집합을 규명하는 것.
• $D^* \to D\pi$ 붕괴에서 $S$-파 영역에서 $D_0^* \to D\pi$ 사건에 의한 오염 문제를 다루는 것, 특히 $\tau$-르프톤 최종 상태에서의 영향을 고려하여 분석하는 것.
• $(D\pi)_{S\text{-wave}}$ 가 $D^*$ 피크 근처에서 브라이트-존슨 형태를 따르는지 검증할 수 있는 측정 가능한 양을 제안하는 것. 이는 정밀한 B-메손 붕괴 분석에 매우 중요하다.

제안 방법

• 헬리시티 앙피츄드를 기반으로 전체 미분 붕괴률을 유도하며, 각도 계수를 운동량 변수, 형상 인자, NP 결합 상수의 함수로 표현하는 것.
• 비표준모형 상호작용을 모델링하기 위해 효과적 해밀토니안 접근법을 사용하여 NP 결합 상수를 헬리시티 앙피츄드의 수정으로 변환하는 것.
• 협소한 폭 근사와 $D\pi$ 최종 상태에서 $D^*$ 및 $D_0^*$ 공명 간 간섭항을 포함하는 것.
• $D^*$ 및 $D_0^*$ 중간 상태 기여와 그 간섭항을 모두 포함하여 전체 각도 분포를 구성하는 것.
• $\cos\theta_D$, $\cos\theta_\ell$, $\chi = \phi_\ell$ 에 대한 각도 적분 기반의 관측량 집합을 도입하여 NP 및 강입자 불확실성에 민감한 것들을 분석하는 것.
• $D\pi$ 정지 프레임에서의 위상공간 및 진폭 제곱의 표현식을 유도하며, $\widetilde{BW}$ 함수를 통해 $D_0^*$ 너비 및 결합 효과를 포함하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}_\ell$ 붕괴에서 뉴트론 물리학의 존재에 가장 민감한 각도 관측량은 무엇인가요?
• RQ2 $D^* \to D\pi$ 붕괴에서 $S$-파 $D\pi$ 쌍의 존재는 특히 $\tau$-최종 상태에서 $R_{D^{(*)}}$ 측정의 해석에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 $D^*$ 피크 근처의 $D\pi$ 진동 질량 분포는 브라이트-존슨 형태로 기술될 수 있으며, 이 가정을 검증할 수 있는 관측량은 무엇인가요?
• RQ4 $D^*$ 및 $D_0^*$ 공명 간의 간섭 효과는 $\bar{B} \to D^*\ell\bar{\nu}_\ell$ 붕괴 샘플에 얼마나 큰 오염을 초래하는가?
• RQ5 헬리시티 앙피츄드를 어떻게 활용하여 모든 케이스의 준입자에서 준입자/벡터 붕괴로의 일반적인 각도 분석 프레임워크를 구축할 수 있는가?

주요 결과

• 헬리시티 앙피츄드를 기반으로 전체 각도 분포를 유도하여, 모형에 종속되지 않는 $\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}_\ell$ 붕괴 분석을 위한 일반적인 프레임워크를 제공한다.
• 특히 $R_{D^{(*)}}$ 이질현상의 맥락에서 뉴클레온 표준모형 외 상호작용에 민감한 각도 관측량의 집합을 규명하였다.
• $D\pi$ 최종 상태에서 $D^*$ 및 $D_0^*$ 공명 간의 간섭이, 특히 $D^*$ 피크 근처에서 각도 분포에 상당한 기여를 한다는 것이 입증되었다.
• $S$-파 $D\pi$ 성분과 관련된 두 가지 특정 관측량을 제안하여, $D^*$ 피크 근처의 $(D\pi)_{S\text{-wave}}$ 가 브라이트-존슨 형태를 따르는지 검증할 수 있도록 하였다.
• 실수 헬리시티 앙피츄드를 가정한 협소한 폭 근사에서 기존 문헌 [10]의 결과를 재현함으로써 이론적 접근법의 타당성을 검증하였다.
• 향후 Belle II 데이터에서 각도 분포의 정밀 연구가 가능하며, 이는 트리 레벨 준입자 붕괴에서 뉴트론 물리학을 민감하게 검증할 수 있도록 한다.