[論文レビュー] Leading order NRQCD and Light-Cone Analysis of Exclusive Charmonia Production in Radiative $Z$-boson Decays

A. V. Luchinsky|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2017

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、非相対論的量子色力学（NRQCD）および光線（LC）形式論を用いて、排他的な放射性Zボソン崩壊（ηc、J/ψ、χc0,1,2、hc）の一次近似解析を提示する。内部クォーク運動を光線分布振幅を介して取り入れることで、S波の charm 状態および χc1 の理論的予測がほぼ2倍に増加し、分岐比は約10⁻⁸に達する。また、ベクトル／軸性カレント成分のZボソンが、振幅構造によって自動的に選択されることも明らかにした。

ABSTRACT

The presented paper is devoted to theoretical analysis of charmonium mesons $η_c$, $J/ψ$, $χ_{c0,1,2}$, and $h_c$ production in exclusive radiative $Z$ boson decays in the frameworks of Nonrelativistic Chromodynamic and amplitude expansion on the light-cone. In the framework of light-cone expansion amplitudes and widths of all processes are described with one universal relation. It is interesting to note that from this relation it follows automatically which component of $Z$ boson (either vector or axial) gives contribution to the width of the particular decay. It is shown that the effect of internal quark motion almost doubles theoretical predictions for production of $S$-wave charmonia and $χ_{c1}$ meson.

研究の動機と目的

• NRQCDおよび光線（LC）形式論を用いて、Zボソンの排他的な放射性崩壊（charm 状態）を研究すること。
• 特に一次歪み（leading-twist）LC近似における内部クォーク運動の分岐比への影響を評価すること。
• 振幅構造に基づき、Zボソンのベクトルまたは軸性カレント成分が特定の崩壊幅に寄与するかどうかを同定すること。
• 既知の二重 charm 状態生成過程における乖離を踏まえ、実験データと理論的予測を比較すること。
• 分岐比が10⁻⁸のオーダーであるため、今後の珍しいZ崩壊の実験的探索のベンチマークを提供すること。

提案手法

• 短距離のハード関数 H(ξ) と長距離の非摂動的成分（leptonic decay 定数 fQ および分布振幅 φQ(ξ)）の畳み込みとして、崩壊振幅を光線展開で表現する。
• 展開パラメータ r = mc/MZ ≈ 0.02 を用いた一次歪み近似を適用し、小さなヘリシティ抑制を仮定する。
• QCD和則を用いてS波（ηc、hc）およびP波（χc0,1,2）のcharm 状態の分布振幅を導出し、Zボソンのスケールにまで進化させる。
• スピン選択則を実装：一次歪みにおいては、主に縦偏光状態（λQ = 0）が寄与し、横偏光状態は r^|λQ| で抑制される。
• 内部クォーク運動の効果を分離するために、δ近似（内部クォーク運動を無視）と完全なLCフレームワークの両方で分岐比を計算する。
• 実験的および理論的入力を制約として、スケール依存の幅 βS,P を持つパラメータ化された分布振幅を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光線分布振幅および内部クォーク運動が、排他的な Z→charm 状態γ 崩壊の分岐比にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Zボソンのどの成分（ベクトルまたは軸性）が特定のcharm 状態崩壊の振幅に寄与するか？ そして、この選択は形式論によってどのように決定されるか？
• RQ3 光線形式論において内部クォーク運動を組み込むと、S波およびP波のcharm 状態生成の理論的予測はどの程度向上するか？
• RQ4 内部クォーク運動を考慮すると、ξ偶性状態とξ奇性状態の分岐比に差が生じる理由は何か？
• RQ5 最近のNRQCD予測およびBファクトリーからの実験データと比較して、結果はどうなるか？

主な発見

• 光線分布振幅による内部クォーク運動の取り入れにより、S波のcharm 状態（ηc、hc）および χc1 の理論的予測がほぼ2倍に増加し、分岐比はそれぞれ約0.66×10⁻⁸から約0.94×10⁻⁸、および約0.087×10⁻⁸から約0.56×10⁻⁸に上昇した。
• ξ奇性状態（χc0、χc2、hc）では、振幅内での破壊的干渉のため、分岐比はわずかに減少するか、ほぼ同じままであり、BrLC/Brδ ≈ 0.91 の比を示した。
• 光線形式論は、最終状態のメソンの電荷およびパリティ量子数に基づき、自動的にZボソンのベクトルまたは軸性カレント成分がどの崩壊に寄与するかを決定する。
• 研究されたすべての過程の分岐比は10⁻⁸の範囲にあり、珍しいが他の珍しい過程（例：Bs→μμ）と同等に観測可能であると考えられる。
• 最近のJ/ψ生成に関する研究と合理的に一致しており、charm 状態へのアプローチの妥当性が裏付けられた。
• 今後の研究において、標準NRQCDよりも速度展開をより適切に扱えるSoft Gluon Factorization（SGF）を用いることで、精度が向上する可能性が示唆された。