[논문 리뷰] Light hadron production in $B_{c} o B_{s}^{(*)}+X$ decays

А. К. Лиходед, A. V. Luchinsky|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 인과성 정리에 기반하여 $B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 붕괴를 연구하며, $B_c \to B_s^{(*)}W$ 꼬리점은 $\tau$-레프톤 붕괴와 $e^+e^-$ 결합에서 유도된 스펙트럼 함수와 콘볼루션된다. 다양한 형상함수 집합을 사용하여 분해율과 불변 질량 분포를 제시하며, 오직 특정 모델들(예: SR 및 PM)만 측정된 $B_c$ 수명과 일치하는 반면, 다른 모델들(예: LF)은 상당히 낮은 분해율을 예측한다.

ABSTRACT

The article is devoted to Bc->Bs+n pi, Bc->Bs*+n pi decays with n=1, 2, 3, 4. In the framework of factorization theorem the branching fractions of these processes can be written as convolution of hard part, describing Bc->Bs W, Bc->Bs* W vertices, and spectral functions, that correspond to transition of virtual $W$-boson into a final pi-meson system. These functions were obtained from the fit of experimental data on $τ$-lepton decay and electron-positron annihilation. Using different sets of Bc->Bs decay form-factors we present branching fractions and distributions over the invariant mass of the final pi-meson system.

연구 동기 및 목표

• 이론적 인과성에 기반하여 $n=1$에서 $4$까지의 $B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 붕괴에 대한 배타적 분해율을 계산한다.
• 다양한 $B_c \to B_s^{(*)}$ 형상함수 모델이 실험적으로 측정된 $B_c$ 메손 수명과 일치하는지 테스트한다.
• 미래의 LHC 측정을 안내하기 위해 파이온 시스템의 불변 질량 분포를 예측한다.
• 예측된 총 너비를 관측된 $B_c$ 수명과 비교하여 다양한 이론적 형상함수 집합(SR, PM, LF)의 타당성을 평가한다.
• 하드론 충돌기에서 $B_s^{(*)}$를 최종 상태 탐지자로 사용하여 $B_c$ 붕괴를 연구하는 프레임워크를 수립한다.

제안 방법

• 붕괴 진폭을 하드 $B_c \to B_s^{(*)}W$ 꼬리점과 $W \to n\pi$ 전이에 대한 스펙트럼 함수의 콘볼루션으로 표현하기 위해 인과성 정리를 적용한다.
• 하드론 최종 상태를 모델링하기 위해 $\tau$-레프톤 붕괴와 $e^+e^-$ 결합의 실험 데이터에서 추출한 스펙트럼 함수를 사용한다.
• $B_c \to B_s^{(*)}$ 전이에 대해 양자 chromodynamics 합계, 잠재력 모델, 그리고 빛의 앞면 접근법에서 유도된 이론적 형상함수 집합(SR, PM, LF)을 활용한다.
• 형상함수에 의존하는 하드 함수를 이용하여 위상공간에 대해 적분함으로써 분해율과 불변 질량 분포를 계산한다.
• 예측된 $B_c \to B_s^{(*)} + X$ 붕괴의 총 너비를 실험적으로 측정된 $B_c$ 수명과 비교하여 형상함수 모델을 제약한다.
• 이중성 기반 일관성 검증을 수행하기 위해 $B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 분해율의 합을 $B_c$ 수명 기반 추정치인 총 너비의 약 $45\%$와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 $B_c \to B_s^{(*)}$ 형상함수 집합이 $B_c \to B_s^{(*)} + X$ 붕괴에 대해 측정된 $B_c$ 메손 수명과 일치하는 총 분해율을 제공하는가?
• RQ2 다양한 이론적 형상함수 모델(SR, PM, LF)에서 $B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 붕괴의 분해율은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 $B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 붕괴에서 파이온 시스템의 예측된 불변 질량 분포는 무엇이며, 형상함수 집합 간에 어떻게 다를까?
• RQ4 $n=1,2$일 때 $B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 붕괴가 $B_c \to J/\psi + n\pi$ 붕괴보다 더 우세한 이유는 무엇이며, 상대적으로 높은 $n$에서는 어떻게 단절되는가?
• RQ5 $B_c$ 수명을 사용하여 경쟁하는 이론적 모델들 간의 형상함수에 대한 타당성을 구분할 수 있는가?

주요 결과

• SR 형상함수 집합을 사용할 경우 $B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 붕괴의 분해율 합은 $44\%$이며, PM 집합은 $40\%$로, $B_c$ 수명 기반 추정치인 $\sim 45\%$와 일치한다.
• LF 형상함수 집합은 동일한 합에 대해 단지 $23\%$를 예측하여 실험적 추정치보다 상당히 낮으며, 측정된 $B_c$ 수명과의 불일치를 시사한다.
• n=1일 때, SR 집합은 $18\%$, PM 집합은 $12\%$를 기록하지만, LF 집합은 단지 $5.5\%$를 기록하여 모델 의존성이 뚜렷하다.
• B_c \to B_s^{(*)} + \rho 모드의 분해율은 SR 기준 $7.6\%$, PM 기준 $5.4\%$로, 벡터 메손 기여가 상당함을 나타낸다.
• B_c \to B_s^{(*)} + 4\pi 붕괴의 분해율은 SR 기준 $0.0064\%$, PM 기준 $0.0045\%$로, 상대적으로 강한 위상공간 억제가 있음을 보여준다.
• B_c \to B_s^{(*)} + u\bar{d} 모드의 분해율은 SR 기준 $19\%$, PM 기준 $13\%$로, 경량 쿼크 쌍이 중요한 최종 상태임을 시사한다.