[论文解读] Rare Decays of D Mesons

Svjetlana Fajfer|ArXiv.org|Aug 22, 2002

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 3

一句话总结

本文研究了D介子粒子中的稀有粲夸克衰变，以探测标准模型之外的新物理，重点关注如 $D \to V\gamma$、$D \to Pl^+l^-$ 和 $D \to \gamma\gamma$ 的电磁衰变和轻子对衰变。利用重夸克手征拉格朗日量和因子化近似，预测分支比在 $10^{-5}$ 到 $10^{-8}$ 范围内，其中 $D^0 \to \gamma\gamma$ 的分支比为 $(1.0 \pm 0.5) \times 10^{-8}$，并强调了轻量矢量介子在非共振 $K\pi\gamma$ 衰变中的作用。

ABSTRACT

The flavor changing transitions in the c->u gamma, c->u gamma gamma and c->u l+ l- offer the possibility to search for new physics in the charm sector. We investigate dominant decay mechanisms in the radiative decays D->V gamma, D->P(V) l+ l-, D->gamma gamma and we discuss chances to see physics beyond the standard model in these decays. In addition, we analyze Cabibbo allowed D->K pi gamma decays with nonresonant K pi, and we probe the role of light vector mesons in these decays.

研究动机与目标

• 通过稀有 $D$ 衰变研究魅夸克扇区中的味改变中性流（FCNC），其对标准模型之外的新物理敏感。
• 评估在当前实验上限接近 $10^{-4}$ 到 $10^{-5}$ 的情况下，探测 $D$ 介子稀有电磁衰变和轻子对衰变的可行性。
• 研究轻量矢量介子在非共振 $D \to K\pi\gamma$ 衰变中的作用，类比于 $K \to \pi\pi\gamma$ 衰变，以探究强子动力学。
• 量化 $c \to u\gamma$ 和 $c \to ul^+l^-$ 衰变中的短程贡献，特别是在MSSM增强背景下的情况。
• 为 $D \to \gamma\gamma$、$D \to V\gamma$ 和 $D \to K\pi\gamma$ 衰变提供理论分支比预测，以指导未来在BELLE、BABAR和Tevatron实验中的搜索。

提出的方法

• 使用有效拉格朗日量方法，通过QCD修正的威尔逊系数 $C_{7\gamma}^{\text{eff}} = (-0.7 + 2i) \times 10^{-2}$ 计算短程贡献，实现 $c \to u\gamma$ 衰变。
• 应用重夸克手征拉格朗日量和因子化近似，计算非轻子衰变的弱跃迁矩阵元。
• 通过包含实验测得的 $F_0$ 及形式因子 $F_1$、$F_2$ 的模型依赖形式，推导 $D \to K\pi\gamma$ 的衰变振幅，涵盖轫致辐射和直接跃迁过程。
• 当中间矢量介子共振态满足壳条件时，通过布列特-维格纳传播子引入其贡献，以建模 $K\pi$ 非共振态。
• 通过结合实验测得的 $D \to K\pi$ 振幅与理论形式因子，计算分支比，并应用光子能量截断 $E_c \geq 100$ MeV。
• 比较标准模型与MSSM下 $c \to ul^+l^-$ 衰变的预测，以评估新物理增强的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 预测的 $D \to V\gamma$ 衰变分支比是多少？与当前实验上限相比如何？
• RQ2 在长程贡献相互抵消的条件下，$D^0 \to \rho^0\gamma$ 和 $D^0 \to \omega\gamma$ 衰变中，$c \to u\gamma$ 跃迁的探测程度如何？
• RQ3 轻量矢量介子如何影响 $D \to K\pi\gamma$ 衰变振幅？它们在直接跃迁和轫致辐射贡献中扮演什么角色？
• RQ4 若 $D \to \gamma\gamma$ 衰变的观测率显著高于标准模型预测，是否可被观测到？此类信号意味着什么？
• RQ5 在 $D \to K\pi\gamma$ 衰变中，直接电偶极破坏和电偶极守恒电磁跃迁的预期大小是多少？它们如何依赖于矢量介子贡献？

主要发现

• 预测 $D^0 \to \gamma\gamma$ 的分支比为 $(1.0 \pm 0.5) \times 10^{-8}$，若观测到的速率高出一个数量级，则暗示存在新物理。
• $D^+ \to \bar{K}^{0}\pi^{+}\gamma$ 衰变的预测分支比为 $(2.3 - 2.5) \times 10^{-4}$，主要由 $D \to K\pi$ 振幅的轫致辐射主导。
• $D^0 \to K^{-}\pi^{+}\gamma$ 衰变的预测分支比为 $(4.3 - 6.0) \times 10^{-4}$，其中轫致辐射和直接跃迁均有显著贡献。
• 在 $D^0 \to K^{-}\pi^{+}\gamma$ 中，直接电偶极破坏跃迁贡献为 $1.64 \times 10^{-4}$，而电偶极守恒磁跃迁贡献为 $1.4 \times 10^{-4}$，表明两者强度相近。
• 若排除轻量矢量介子贡献，$D^0 \to K^{-}\pi^{+}\gamma$ 中电偶极守恒直接衰变速率将降低两个数量级，凸显其关键作用。
• 在标准模型中，比值 $R = \frac{\text{BR}(D^0 \to \rho^0\gamma) - \text{BR}(D^0 \to \omega\gamma)}{\text{BR}(D^0 \to \omega\gamma)}$ 预测为 $6 \pm 15\%$，但在MSSM中可达到 $\mathcal{O}(1)$，为探测新物理提供了敏感手段。