[论文解读] Semileptonic $B- o p\bar{p} \ell-\bar{ u}_\ell$ decays

Chao-Qiang Geng, Y. K. Hsiao|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 53被引用 9

一句话总结

本文在标准模型框架下，利用来自 $\bar{B} \to \bar{p}pM$ 衰变的 pQCD 基形式因子，研究了 $B^- \to \bar{p}p\ell\bar{\nu}_\ell$ 的唯一四体半轻衰变。预测了 $\ell = e, \mu, \tau$ 时的分支比分别为 $ (1.04 \pm 0.26) \times 10^{-4} $、$ (1.04 \pm 0.24) \times 10^{-4} $ 和 $ (0.46 \pm 0.11) \times 10^{-4} $，显著高于以往的包含估计值，且处于 Belle 和 BaBar B 介子工厂的探测能力范围内。

ABSTRACT

We study the four-body exclusive semileptonic baryonic $\bar B$ decays of $B^- o p\bar p \ell^- \bar u_{\ell}$ ($\ell=e,\mu, au$) in the standard model. We find that their decay branching ratios are about $(1.0, 1.0,0.5) imes 10^{-4}$, respectively. In particular, the electron mode is close to the corresponding CLEO's upper limit of $5.2 imes 10^{-3}$, while all results are about one or two orders of magnitude larger than the previous estimated values for the inclusive modes of $\bar B o {\bf B\bar B'}\ell \bar u$. Clearly, both B-factories of Belle and BaBar should be able to observe these exclusive four-body modes.

研究动机与目标

• 在标准模型中计算 $B^- \to \bar{p}p\ell\bar{\nu}_\ell$ 的唯一四体半轻衰变分支比。
• 利用 $\bar{B} \to \bar{p}pM$ 模式的数据，确定 $\bar{B} \to \bar{p}p$ 转换形式因子在这些衰变中的作用。
• 评估在 Belle、BaBar 及未来 B 介子工厂观测这些衰变的实验可行性。
• 探讨 $B^- \to \bar{p}p\ell\bar{\nu}_\ell$ 的角分布对标准模型之外的新物理的敏感性。

提出的方法

• 使用 $b \to u\ell\bar{\nu}_\ell$ 转换的有效哈密顿量，采用因子化振幅 $A \propto \langle \bar{p}p|\bar{u}\gamma^\mu(1-\gamma^5)b|B\rangle \bar{\ell}\gamma_\mu(1-\gamma^5)\nu_\ell$。
• 使用五种洛伦兹不变结构参数化 $\bar{B} \to \bar{p}p$ 转换形式因子，包含 $g_i$ 和 $f_i$ 分量。
• 应用 pQCD 计数规则，采用 $n=3$ 的幂律行为 $f_i = Df_i / t^n$，$g_i = Dg_i / t^n$，其中 $t = m_{\bar{p}p}^2$。
• 利用 $\bar{B} \to \bar{p}pM$ 衰变的数据拟合形式因子常数 $D_{||}$ 和 $D_{||}^{(j)}$。
• 使用动量变量 $s = m_{\ell\bar{\nu}}^2$，$t = m_{\bar{p}p}^2$，$\theta_B$，$\theta_L$，$\phi$ 对五维全相空间进行积分。
• 利用相空间测度和自旋求和后的振幅平方计算衰变宽度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型中，$B^- \to \bar{p}p\ell\bar{\nu}_\ell$ 的唯一四体半轻衰变的分支比预测为何？
• RQ2 $\bar{B} \to \bar{p}p$ 转换形式因子如何影响衰变振幅和分支比？
• RQ3 这些衰变在当前和未来的 Belle、BaBar 等 B 介子工厂中是否可观测？
• RQ4 $B^- \to \bar{p}p\ell\bar{\nu}_\ell$ 的角分布能否揭示标准模型之外的新物理？
• RQ5 不同形式因子分量（如 $g_1, g_2, f_1, f_2$ 等）在衰变振幅中的贡献如何比较？

主要发现

• 预测 $B^- \to \bar{p}p e^- \bar{\nu}_e$ 的分支比为 $ (1.04 \pm 0.26 \pm 0.12) \times 10^{-4} $，远低于 CLEO 的上限 $5.2 \times 10^{-3}$。
• 预测 $B^- \to \bar{p}p \mu^- \bar{\nu}_\mu$ 的分支比为 $ (1.04 \pm 0.24 \pm 0.12) \times 10^{-4} $，与电子模式相近。
• 预测 $B^- \to \bar{p}p \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 的分支比为 $ (0.46 \pm 0.11 \pm 0.05) \times 10^{-4} $，由于 τ 轻子质量较大而显著减小。
• 振幅的主要贡献来自 $g_2$ 和 $f_2$ 形式因子，其受大值 $|D_{||}| \approx 280$ GeV$^5$ 和动量依赖性的增强。
• $g_2$ 和 $f_2$ 项（与 $\sigma^{\mu\nu}p_\nu$ 成正比）占主导，因其相对于 $g_1$ 和 $f_1$ 具有更大的幅度。
• $\ell\bar{\nu}_\ell$ 系统的角分布不对称性 $A_{\theta_L} = 0.59$ 对新物理敏感，例如 $(V+A)$ 当量，会改变虚 $W^*$ 的极化态。