[论文解读] Rare $B^- o\Lambda\bar{p} u\bar{ u}$ decay

C. Geng, Y. K. Hsiao|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文利用有效哈密顿量和来自 $\bar{B} \to B\bar{B}'$ 破裂的形因素，在标准模型中研究了罕见的四体半轻衰变 $B^- \to \Lambda\bar{p}\nu\bar{\nu}$。预测分支比为 $(7.9 \pm 1.9) \times 10^{-7}$，表明对新物理具有敏感性，并且在未来的B工厂中具有可观测潜力。

ABSTRACT

We study the four-body semileptonic baryonic decay of $B^- o \Lambda\bar p u\bar u$ in the standard model. We find that the decay branching ratio is $(7.9\pm 1.9) imes 10^{-7}$. Similar to the rare decays of $B^- o K^{(*)-} u\bar u$, this baryonic decay of $B^- o \Lambda\bar p u\bar u$ is also sensitive to new physics and accessible to the future $B$ factories.

研究动机与目标

• 研究罕见半轻强子衰变 $B^- \to \Lambda\bar{p}\nu\bar{\nu}$，作为标准模型中味改变中性流的探针。
• 通过角分布不对称性和T-奇可观测量，评估该衰变对标准模型之外新物理的敏感性。
• 利用从 $\bar{B} \to B\bar{B}'$ 衰变提取的形因素，精确预测分支比，并通过相关三体衰变的实验数据验证该方法。
• 探讨由于末态可实验重建，该衰变在未来的B工厂中探测的可行性。

提出的方法

• 使用 $b \to s\nu\bar{\nu}$ 衰变的有效哈密顿量，源自盒图和内盒图，表达式为 $H_{\text{eff}} = \frac{G_F}{\sqrt{2}} \frac{\alpha_{\text{em}}}{2\pi \sin^2\theta_W} \lambda_t D(x_t) \bar{s} \gamma^\mu (1 - \gamma^5) b \, \bar{\nu} \gamma_\mu (1 - \gamma^5) \nu$。
• 采用五种形因素 ($g_i$, $f_i$) 参数化 $\bar{B} \to B\bar{B}'$ 衰变矩阵元，其具有来自pQCD计数规则的 $t^{-3}$ 依赖性。
• 通过因子化方法构建衰变振幅：$\mathcal{A}(B^- \to \Lambda\bar{p}\nu\bar{\nu}) \propto \langle \Lambda\bar{p} | \bar{s}\gamma^\mu(1 - \gamma^5)b | B^- \rangle \times \bar{\nu}\gamma_\mu(1 - \gamma^5)\nu$。
• 对五个变量进行相空间积分：$s = (p_\nu + p_{\bar{\nu}})^2$，$t = m_{B\bar{B}'}^2$，$\theta_B$，$\theta_L$，和 $\phi$，使用运动学约束和雅可比因子。
• 利用相空间测度 $d\Gamma = \frac{|\bar{A}|^2}{4(4\pi)^6 m_{\bar{B}}^3} X \, ds \, dt \, d\cos\theta_B \, d\cos\theta_L \, d\phi$ 计算部分宽度，其中 $X$ 和 $\beta$-因子通过三角函数 $\lambda(a,b,c)$ 定义。
• 通过在整个相空间积分并归一化到 $B^-$ 的寿命，结合从 $\bar{B} \to p\bar{p}M$ 衰变拟合的形因素参数，计算分支比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型中，稀有强子衰变 $B^- \to \Lambda\bar{p}\nu\bar{\nu}$ 的预测分支比是多少？
• RQ2 角分布不对称性和T-奇可观测量（如 $\vec{s}_\Lambda \cdot (\vec{p}_\Lambda \times \vec{p}_{\bar{p}})$）如何探测时间反演破坏和新物理？
• RQ3 该衰变在实验上在多大程度上可被重建？其衰变速率与 $B^- \to K^{*-} \nu\bar{\nu}$ 等其他稀有衰变相比如何？
• RQ4 考虑到在相关衰变中与实验数据的一致性，能否可靠地将 $\bar{B} \to B\bar{B}'$ 衰变的形因素外推至 $B^- \to \Lambda\bar{p}\nu\bar{\nu}$？
• RQ5 $B(B^- \to \Lambda\bar{p}\nu\bar{\nu})$ 与 $B(B^- \to p\bar{p}e^-\bar{\nu}_e)$ 之间有何关系？该关系如何增强新物理探测的敏感性？

主要发现

• 预测的 $B^- \to \Lambda\bar{p}\nu\bar{\nu}$ 分支比为 $(7.9 \pm 1.9) \times 10^{-7}$，与稀有强子衰变的预期数量级一致。
• 该衰变通过T-奇三重积相关性（如 $\vec{s}_\Lambda \cdot (\vec{p}_\Lambda \times \vec{p}_{\bar{p}})$）对新物理敏感，这些量在标准模型中为零，但可由新粒子引发的直接T破坏信号。
• 具有 $t^{-3}$ 依赖性的形因素参数化导致阈值增强的双强子质量谱，这一特征在 $\bar{B} \to p\bar{p}M$ 衰变中已被观测到，预计在此衰变中也会出现。
• 该衰变速率与 $B^- \to K^{*-} \nu\bar{\nu}$ 相当，表明具有相似的实验探测灵敏度，且在未来的B工厂中具有发现潜力。
• 发现 $B(B^- \to \Lambda\bar{p}\nu\bar{\nu})$ 与 $B(B^- \to p\bar{p}e^-\bar{\nu}_e)$ 之间存在有用关系，有助于交叉验证理论预测。
• 末态 $\Lambda\bar{p}\nu\bar{\nu}$ 在实验上可重建，因为 $\Lambda \to p\pi^-$ 具有清晰信号，且 $\bar{p}$ 可探测，从而增强了其发现潜力。