[论文解读] Branching-ratio and CP violation in semi-inclusive flavor-changing top decays

L. T. Handoko|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 1998

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文在标准模型中研究了半包容顶夸克衰变 t → qi Xjj（qi = u, c；Xjj = Υ、φ 等矢量介子）中的 CP 破坏，重点分析了通过中间 qk¯qk 态的长程效应。利用因子化强子化模型与微扰 QED 交换过程，发现标准模型中 CP 不对称性极小——对于 t → u Υ 衰变，通过 d¯d 或 s¯s 中间态时，其大小约为 1%，因此这些衰变模式可作为新物理（特别是超对称模型）的敏感探针。

ABSTRACT

Semi-inclusive top decays, $t o q_i \v$, are examined in the framework of the standard model, with $q_i = u { m or} c$, $\v$ : vector meson formed by $q_j \qb_j$ ($q_j = d, s, b$). By using a simple model of hadronization, that is $ 0 \l| \qb_j \gamma^\mu q_j | \v = \mv \fv \evj^\mu$, the total branching ratio is expected to be $\br( ivj) < ({\l| \vij^\ast \vtj |}/{\l| \vtb |})^2 imes O({10}^{-3})$ depends on the size of the coupling constant $\fv$. On the other hand, the CP asymmetry should be induced only by the long-distance effects of intermediate state $q_k \qb_k$ ($q_k = d, s, b$) that subsequent scatters into the vector meson. The analytical results including the continuum contributions are given with keeping all masses. However, it yields the CP asymmetry to be small, i.e. $\acp ( ivj) < {\im [(\vij^\ast \vtj)^\ast (\vik^\ast \vtk)]}/{\l| \vij^\ast \vtj |^2} imes O({10}^{-2})$ for an identified $q_k \qb_k$ intermediate state, and suppressed more again by a factor of $\sim {({m_b}^2 - {m_s}^2)}/{\mv^2}$ for summing up all of them. Particularly, $\acp (t o u \Upsilon) \simeq \pm 1%$, induced by the intermediate state $d\bar{d}$ or $s\bar{s}$.

研究动机与目标

• 在标准模型框架内研究半包容顶夸克衰变 t → qi Xjj 的分支比与 CP 破坏。
• 评估在未来的顶夸克工厂（如 LHC 和升级版 Tevatron）中观测 CP 不对称性的可行性。
• 识别在无圈图增强机制下可能产生 CP 破坏的主导长程贡献。
• 量化当对所有中间 qk¯qk 态求和时，由于 GIM 类机制导致的 CP 不对称性抑制效应。
• 确立这些衰变为新物理（尤其是超对称模型）的清晰探针。

提出的方法

• 采用因子化强子化模型：⟨0|¯qjγμqj|Xjj⟩ = mXjj fXjj ǫXjjμ。
• 利用带电流 W 交换图计算树图振幅 M(0)(t → qi Xjj)，其中包含 CKM 矩阵元 Vij 和 Vtb。
• 通过单光子交换介导的再散射过程处理长程贡献：t → qi (qk¯qk) → Xjj，其中中间态为壳上 qk¯qk。
• 利用树图与再散射振幅之间的干涉计算 CP 不对称性 ACP = ∆/Σ。
• 利用 CKM 矩阵的幺正性对所有中间态（d¯d、s¯s、b¯b）求和，导致由于 (mb² − ms²)/mXjj² 因子而产生抑制。
• 采用 Wolfenstein 参数化形式，将 CP 破坏相位表示为 ρ、η 和 λ 的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型中，半包容顶夸克衰变 t → qi Xjj 的预期分支比是多少？
• RQ2 在无圈图贡献的情况下，t → qi Xjj 衰变是否可能产生 CP 破坏？若能，其机制是什么？
• RQ3 CP 不对称性如何依赖于对中间 qk¯qk 态的识别与对所有可能态求和？
• RQ4 对于特定末态如 t → u Υ，CP 不对称性的定量大小是多少？
• RQ5 这些衰变如何作为标准模型之外新物理的探针？

主要发现

• t → qi Xjj 的分支比估计为 B(t → qi Xjj) ≲ (|V∗ij Vtj| / |Vtb|)² × O(10⁻³)，具体取决于 fXjj。
• CP 不对称性仅通过中间 qk¯qk 态经单光子交换的长程效应产生，而非来自圈图，因 GIM 抑制而被抑制。
• 对于单一识别的中间态，ACP(t → qi Xjj) ≲ |Im[(V∗ij Vtj)∗(V∗ik Vtk)]| / |V∗ij Vtj|² × O(10⁻²)，其中最大值可达 ±1%（对于通过 d¯d 或 s¯s 的 t → u Υ 衰变）。
• 当对所有中间态求和时，CP 不对称性被抑制约 (mb² − ms²)/mXjj² 因子，降低至 O(10⁻⁵) 量级。
• 最大的 CP 不对称性出现在 t → u Υ 衰变中，当 (ρ, η) = (0.3, 0.34) 时，ACP ≃ ±1%，对应 Kibd = 1.65 与 Kibs = -1.65。
• 这些衰变是新物理（尤其是超对称模型）的可行探针，其中标量费米子贡献可能显著增强 CP 不对称性。