[论文解读] Production of radially excited charmonium mesons in two-body nonleptonic Bc decays

I. Bediaga, J. H. Muñoz|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 6

一句话总结

本研究在因子化假定下，利用ISGW2夸克模型计算了两体非轻子 $B_c$ 衰变至径向激发的(charmonium)态（$η_c(2S)$ 或 $ψ(2S)$）与轻介子（P, V, A）的分支比。结果发现分支比为 $10^{-3}$ 至 $10^{-4}$ 量级，其中 $B_c \to \psi'(2S)\rho^-$ 和 $B_c \to \psi'(2S)a_1^-$ 衰变模式由于其相对较大的衰变速率，最有可能在LHCb实验中被探测到。

ABSTRACT

We have computed branching ratios of two-body nonleptonic B_c o X_{c\bar{c}}M decays, where X_{c\bar{c}} is the radially excited charmonium η_c(2S) or ψ(2S) meson, and M is a pseudoscalar (P) or a vector (V) or an axial-vector (A(^3P_1)) meson. We have assumed factorization hypothesis and calculated the form factors in the nonrelativistic ISGW2 quark model. We have found that some of these decays have branching ratios of the order of 10^{-3} - 10^{-4}.

研究动机与目标

• 系统研究两体非轻子 $B_c$ 衰变至径向激发的(charmonium)态（$\eta_c(2S)$, $\psi(2S)$）与轻介子（P, V, A）的过程，这些过程在文献中尚属研究不足。
• 评估ISGW2夸克模型中相对论修正对 $B_c \to X_{c\bar{c}}(2S)M$ 衰变的形因子和分支比的影响。
• 与现有理论框架进行比较，识别在独显 $B_c$ 衰变中对相对论效应敏感的比值。
• 为未来LHCb实验的实验验证提供基准分支比。

提出的方法

• 采用树图级的弱有效哈密顿量，使用当前-当前算符，因胶子跃迁贡献预计被抑制，故忽略其影响。
• 应用因子化假定，将 $B_c$ 衰变振幅分解为 $B_c \to X_{c\bar{c}}(2S)$ 和 $X_{c\bar{c}}(2S) \to M$ 的过渡振幅。
• 使用ISGW2夸克模型计算 $B_c \to \eta_c(2S)$ 和 $B_c \to \psi(2S)$ 衰变的形因子，该模型通过有效夸克间势能引入了相对论修正。
• 利用ISGW2模型的相对论波函数和矩阵元，计算非轻子与半轻子衰变模式的衰变振幅与分支比。
• 将结果与其他理论方法进行比较：相对论夸克模型（EFG2003, CF2000, LT1997）、QCD求和规则（WL2008, kiselev2003），以及非相对论ISGW模型。
• 分析半轻子 $B_c \to \psi'(2S)\tau\bar{\nu}_\tau$ 衰变中的横向与纵向衰变速率，以评估极化效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 两体非轻子 $B_c$ 衰变至径向激发的(charmonium)态（$\eta_c(2S)$, $\psi(2S)$）与轻介子（P, V, A）的分支比是多少？
• RQ2 ISGW2模型中的相对论修正相较于非相对论或其它相对论夸克模型，如何影响预测的分支比？
• RQ3 在当前亮度与预期的 $B_c^+$ 产生率下，哪些衰变模式最有可能在LHCb实验中被观测到？
• RQ4 不同理论框架下，$B_c \to \psi'(2S)l\bar{\nu}$ 与 $B_c \to \eta_c(2S)l\bar{\nu}$ 分支比的比值如何比较？
• RQ5 $B_c \to \psi'(2S)\tau\bar{\nu}_\tau$ 衰变中，$\tau$ 轻子的极化结构（纵向与横向）是怎样的？

主要发现

• $B_c^{-} \to \psi'(2S)\rho^{-}$ 的分支比预测为 $2.1 \times 10^{-3}$，是所研究模式中最大的之一。
• $B_c^{-} \to \psi'(2S)a_1^{-}$ 的分支比在所有 $B_c \to \psi'(2S)M$ 衰变中最高，达 $2.1 \times 10^{-3}$。
• $B_c^{-} \to \eta_c(2S)\pi^{-}$ 的分支比为 $1.2 \times 10^{-4}$，$\rho^-$ 与 $a_1^-$ 模式的值相近。
• $\text{Br}(B_c^{-} \to \psi'(2S)\tau\bar{\nu}_\tau)/\text{Br}(B_c^{-} \to \eta_c(2S)\tau\bar{\nu}_\tau)$ 的比值预测为 11.5，显著高于 kiselev2003 报告的 5。
• $B_c^{-} \to \psi'(2S)\tau\bar{\nu}_\tau$ 的纵向与横向衰变速率分别为 $8.2 \times 10^{-5}$ 与 $6.6 \times 10^{-5}$，其 $\Gamma_T / \Gamma_L$ 比值为 0.8。
• ISGW2模型预测的分支比显著高于其他相对论夸克模型，表明 $B_c$ 衰变中存在不可忽略的相对论效应。