[논문 리뷰] Study of the ${\Upsilon}(1S)$ ${ o}$ $DP$ decays

Yueling Yang, Mingfei Duan외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 42인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 표준모형 내에서 양성화된 양성자(Υ(1S))의 희귀 약한 붕괴 Υ(1S) → D⁻π⁺, D⁰π⁰, Dₛ⁻K⁺를 영구적 양자역학(QCD) 접근법(pQCD)을 사용해 조사한다. 분해비율은 약 10⁻¹⁸ 수준으로, 현재 실험적 감도보다 훨씬 낮으며, OZI 규칙과 작은 CKM 행렬원소에 의한 극도로 강한 억제로 인해 어떤 관측도 상당한 새로운 물리학 기여가 필요할 것임을 시사한다.

ABSTRACT

Inspired by the potential prospects of high-luminosity dedicated colliders and the high enthusiasms in searching for new physics in the flavor sector at the intensity frontier, the ${\Upsilon}(1S)$ ${ o}$ $D^{-}{\pi}^{+}$, $\overline{D}^{0}{\pi}^{0}$ and $D_{s}^{-}K^{+}$ weak decays are studied with the perturbative QCD approach. It is found within the standard model that the branching ratios for the concerned processes are tiny, about ${\cal O}(10^{-18})$, and far beyond the detective ability of current experiments unless there exists some significant enhancements from a noval interaction.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 내에서 pQCD 접근법을 사용하여 Υ(1S) → DP 붕괴(각각 P = π, K)의 분해비율을 평가하는 것.
• Belle-II 및 업그레이드된 LHCb와 같은 향후 고광도 실험에서 수집되는 b¯b 쌍의 거대한 데이터셋을 고려한 이론적 기초를 제공하는 것.
• 이 희귀 붕괴의 검출 가능성 평가 및 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 잠재적 서명을 규명하는 것.
• 바닥온륨 상태를 포함한 약한 붕괴에 대한 강입자 행렬원소와 윌슨 계수를 계산하는 것.
• 붕괴 진폭 계산에서 QCD 보정과 인과성의 역할을 분석하는 것.

제안 방법

• 나무 수준과 펜던트 기여를 포함한 Υ(1S) → DP 붕괴의 붕괴 진폭을 pQCD 접근법을 사용해 계산하는 것.
• renormalization group 방정식를 통해 mW 스케일에서 µ 스케일로 윌슨 계수를 진화시키는 효과적 해밀토니안 형식을 사용하는 것.
• Υ(1S), D, P 메손의 경로상 파동함수를 사용하여 ⟨DP|Oi|Υ⟩의 강입자 행렬원소를 계산하는 것.
• 단계공간의 소프트 및 콜라인 영역에서 큰 로그를 억제하기 위해 수학적 재정렬(Sudakov)을 적용하는 것.
• 부드러운 함수의 진화에서 비정상 차수 γq = −αs/π를 통해 QCD 복사 보정을 포함하는 것.
• 구형함수 기반의 하드 함수 Hab 및 Hcd를 사용하여 쿼크 분포의 횡방향 운동량 의존성을 모델링하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 내에서 Υ(1S) → D⁻π⁺, D⁰π⁰, Dₛ⁻K⁺ 붕괴의 예측 분해비율은 무엇인가?
• RQ2 이 붕괴들은 현재 또는 곧 가동 예정인 실험인 Belle-II나 LHCb에서 관측될 수 있는가?
• RQ3 붕괴 진폭에 대한 주요 기여는 나무 수준 기여인지, 펜던트 연산자인지?
• RQ4 QCD 보정과 인과성 효과는 최종 분해비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 예측된 분해비율에서의 편차는 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 신호가 될 수 있는가?

주요 결과

• Υ(1S) → D⁻π⁺, D⁰π⁰, Dₛ⁻K⁺ 붕괴의 분해비율은 표준모형 내에서 약 10⁻¹⁸ 수준으로 예측된다.
• 극도로 작은 분해비율은 주로 작은 CKM 행렬원소 |Vub V*cb|와 OZI 규칙에 의한 억제로 인해 발생한다.
• 주요 기여는 나무 수준 연산자 O1과 O2에서 비롯되며, 펜던트 연산자 O3–O10는 보조적이지만 무시할 수 없는 기여를 한다.
• QCD 복사 보정은 비정상 차수와 수학적 재정렬 인자로 포함되어 있으며, 이는 큰 로그를 억제하고 페르미온 급수의 안정성을 높인다.
• 강입자 행렬원소는 D 및 P 메손의 경로상 파동함수를 사용하여 계산되었으며, 횡방향 운동량 의존성은 구형함수를 통해 모델링되었다.
• 결과는 이러한 붕괴들이 현재의 실험적 빛의 밀도로는 관측 불가능하며, 어떤 신호도 상당한 새로운 물리학의 증폭이 필요하다는 것을 시사한다.