[论文解读] Exclusive Radiative Decays of B Mesons in QCD Factorization

Stefan W. Bosch|ArXiv.org|Aug 22, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 228被引用 14

一句话总结

本文在标准模型框架下，为强子衰变如 $B\to V\gamma$ 和 $B\to\gamma\gamma$ 建立了QCD因子化框架。它系统地将微扰硬散射与非微扰轻锥分布振幅分离，证明了功率抑制的湮灭贡献是可计算的，并对分支比、CP不对称性和同位旋不对称性给出了包含非微扰输入误差估计的下一阶微扰计算结果。

ABSTRACT

We discuss exclusive radiative decays in QCD factorization within the Standard Model. In particular, we consider the decays B -> V gamma, with a vector meson K* or rho in the final state, and the double radiative modes B_s -> gamma gamma and B_d -> gamma gamma. At quark level, all these decays are governed by the flavour-changing neutral-current b -> s gamma or b -> d gamma transitions, which appear at the one-loop level in the Standard Model. Such processes allow us to study CP violation and the interplay of strong and electroweak interactions, to determine parameters of the CKM matrix, and to search for New Physics. The exclusive decays are experimentally better accessible, but pose more problems for the theoretical analysis. The heavy-quark limit m_b >> Lambda_QCD, however, allows to systematically separate perturbatively calculable hard scattering kernels from nonperturbative form factors and universal light-cone distribution amplitudes. For the B -> V gamma decays we evaluate the leading Lambda_QCD/m_b contributions complete to next-to-leading order in QCD, including also QCD penguin operators. The double radiative B -> gamma gamma decays are analyzed with leading-logarithmic accuracy. We predict branching ratios, CP and isospin asymmetries, and estimate U-spin breaking effects for B -> K* gamma and B -> rho gamma. For the B -> gamma gamma decays we give numerical results for branching ratios and CP asymmetries.

研究动机与目标

• 利用QCD因子化发展一种模型无关、微扰的强子衰变理论框架。
• 解决在 $B\to V\gamma$ 和 $B\to\gamma\gamma$ 衰变中，超越主导幂次的非微扰矩阵元计算的理论挑战。
• 计算QCD中硬顶点和辐射子贡献的下一阶微扰修正，包括QCD胶子跃迁算符。
• 评估弱湮灭图在 $B\to V\gamma$ 中的可计算性及其数值重要性，尽管其受功率抑制。
• 使用对数精度的领先项，估算 $B\to\gamma\gamma$ 和 $D\to\gamma\gamma$ 衰变中的CP不对称性和长程贡献。

提出的方法

• 在重夸克极限 $m_b \gg \Lambda_{\text{QCD}}$ 下应用QCD因子化，将硬散射核与通用的轻锥分布振幅分离。
• 利用 $\Lambda_{\text{QCD}}/m_b$ 的幂次计数法识别主导与次主导贡献，实现系统的展开。
• 对 $B\to V\gamma$ 衰变中的硬顶点和硬辐射子贡献计算QCD的下一阶微扰修正，包括当前-当前和QCD胶子跃迁算符。
• 证明弱湮灭图在主导幂次下不受软和胶子发射发散影响，使其尽管受功率抑制但仍可计算。
• 在主导幂次下推导 $B\to\gamma\gamma$ 衰变的因子化公式，并计算来自单粒子不可约图的功率抑制贡献。
• 使用威尔逊系数和算符基变换，将有效哈密顿量匹配至 $b\to s\gamma$ 和 $b\to d\gamma$ 衰变过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管受功率抑制，弱湮灭贡献在 $B\to V\gamma$ 衰变中是否可在QCD因子化框架内系统计算？
• RQ2 在QCD的下一阶微扰计算中，硬辐射子和硬顶点修正在 $B\to V\gamma$ 衰变中起什么作用？
• RQ3 QCD胶子跃迁算符和当前-当前算符在 $B\to\gamma\gamma$ 衰变振幅中，于主导幂次及更高阶的贡献如何？
• RQ4 对 $B\to\gamma\gamma$ 衰变的分支比和CP不对称性有何预测？它们对非微扰输入的敏感性如何？
• RQ5 在 $B\to\gamma\gamma$ 和 $D\to\gamma\gamma$ 衰变中，长程贡献在多大程度上可通过QCD因子化框架进行估算？

主要发现

• 在 $B\to V\gamma$ 衰变中，弱湮灭贡献虽受功率抑制，但在主导幂次下不受软和胶子发射发散影响，因此可在QCD因子化框架内计算。
• 对 $B\to V\gamma$ 衰变，已计算出包含QCD胶子跃迁贡献的硬辐射子修正，达到QCD的下一阶微扰精度。
• $B\to\gamma\gamma$ 衰变在主导幂次下的主要贡献来自单一图，且来自单粒子不可约图的功率抑制贡献也可计算。
• 对 $B\to K^{*}\gamma$ 和 $B\to\rho\gamma$ 的数值预测包括分支比、CP不对称性和同位旋不对称性，并附有误差估计。
• 对 $B\to\gamma\gamma$，本文提供了分支比和CP不对称性的数值结果，其主要不确定性来源于非微扰输入参数（如轻锥分布振幅）。
• 分析确认 $B\to\gamma\gamma$ 和 $D\to\gamma\gamma$ 中的长程贡献是可计算的，并可通过QCD因子化框架进行估算。