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

А. К. Лиходед, A. V. Luchinsky|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文利用因子化定理研究了 $B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 粒衰变，其中 $B_c \to B_s^{(*)}W$ 顶点与来自 $\tau$ 轻子衰变和 $e^+e^-$ 对湮灭的谱函数进行卷积。该研究使用多种形式因子集计算了分支比和不变质量分布，表明只有某些模型（如 SR 和 PM）与测量的 $B_c$ 寿命一致，而其他模型（如 LF）则预测显著更低的分支比。

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.

研究动机与目标

• 使用理论因子化方法计算 $B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 衰变（$n=1$ 至 $4$）的独态分支比。
• 检验各种 $B_c \to B_s^{(*)}$ 形式因子模型与实验测量的 $B_c$ 介子寿命的一致性。
• 为未来 LHC 测量提供 pion 系统不变质量分布的预测。
• 通过将预测的总宽度与观测到的 $B_c$ 寿命比较，评估不同理论形式因子集（SR、PM、LF）的可行性。
• 建立一个利用 $B_s^{(*)}$ 作为末态探测器研究强子对撞机中 $B_c$ 衰变的框架。

提出的方法

• 应用因子化定理，将衰变振幅表示为硬 $B_c \to B_s^{(*)}W$ 顶点与 $W \to n\pi$ 转换的谱函数的卷积。
• 使用从 $\tau$ 轻子衰变和 $e^+e^-$ 湮灭实验数据中提取的谱函数，以建模强子末态。
• 采用多种理论形式因子集（SR、PM、LF），分别来自 QCD 求和规则、势模型和轻-front 方法，用于描述 $B_c \to B_s^{(*)}$ 转换。
• 通过在相空间上积分形式因子依赖的硬函数，计算分支比和不变质量分布。
• 将 $B_c \to B_s^{(*)} + X$ 衰变的总预测宽度与实验测量的 $B_c$ 寿命比较，以约束形式因子模型。
• 通过双重性检验方法，将 $B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 分支比之和与基于 $B_c$ 寿命估计的 $\sim 45\%$ 总宽度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些 $B_c \to B_s^{(*)}$ 形式因子集能给出与测量的 $B_c$ 介子寿命一致的 $B_c \to B_s^{(*)} + X$ 衰变总分支比？
• RQ2 不同理论形式因子模型（SR、PM、LF）下，$B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 衰变的分支比如何变化？
• RQ3 在 $B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 衰变中，pion 系统的预测不变质量分布是什么？不同形式因子集之间有何差异？
• RQ4 为何对于 $n=1,2$，$B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 衰变比 $B_c \to J/\psi + n\pi$ 衰变更占主导？相空间抑制如何影响更高 $n$ 的衰变？
• RQ5 能否利用 $B_c$ 寿命区分 $B_c \to B_s^{(*)}$ 形式因子的多个竞争理论模型？

主要发现

• SR 形式因子集下，$B_c \to B_s^{(*)} + n\pi$ 衰变的分支比之和为 $44\%$，PM 集为 $40\%$，与基于 $B_c$ 寿命的 $\sim 45\%$ 估计一致。
• LF 形式因子集预测的相同总和仅为 $23\%$，显著低于实验估计值，表明与测量的 $B_c$ 寿命不一致。
• 对于 $n=1$，SR 集的分支比为 $18\%$，PM 集为 $12\%$，而 LF 集仅给出 $5.5\%$，显示出强烈的模型依赖性。
• $B_c \to B_s^{(*)} + \rho$ 模式在 SR 集下分支比为 $7.6\%$，PM 集下为 $5.4\%$，表明矢量介子有显著贡献。
• $B_c \to B_s^{(*)} + 4\pi$ 衰变在 SR 集下分支比为 $0.0064\%$，PM 集下为 $0.0045\%$，显示出强烈的相空间抑制。
• $B_c \to B_s^{(*)} + u\bar{d}$ 模式的分支比在 SR 集下为 $19\%$，PM 集下为 $13\%$，表明轻 quark 对是重要末态。