[论文解读] Studying Radiative Baryon Decays with the SU(3) Flavor Symmetry

Ru-Min Wang, Xiao-Dong Cheng+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2020

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 35被引用 6

一句话总结

本文应用 SU(3) 靛子对称性不可约表示方法，研究涉及底夸克和粲夸克重子的电磁辐射衰变，通过单夸克跃迁和 W-交换图推导不同衰变模式之间的振幅关系。该研究预测了此前未测量衰变的分支比，例如 Λ⁰_b→nγ 和 Ξ⁰_b→Λ⁰γ，为 BESIII、LHCb 和 Belle-II 实验提供了可检验的基准。

ABSTRACT

The weak and electromagnetic radiative baryon decays of octet $T_{8}$, decuplet $T_{10}$, single charmed anti-triplet $T_{c3}$ and sextet $T_{c6}$, single heavy bottomed anti-triplet $T_{b3}$ and sextet $T_{b6}$ are investigated by using SU(3) flavor symmetry irreducible representation approach. We analyze the contributions from a single quark transition $q_1 o q_2γ$ and $W$ exchange transitions, and find that the amplitudes could be easily related by SU(3) flavor symmetry in the $T_{b3,b6}$ weak radiative decays, $T_{c3,c6}$ weak radiative decays, $T_{10} o T_{8}γ$ weak decays, $T_{10} o T'_{10}γ$ weak decays and $T_{10} o T_{8}γ$ electromagnetic decays. Nevertheless, the amplitude relations are a little complex in the $T_{8} o T'_{8}γ$ and $T_{8} o T_{10}γ$ weak decays due to quark antisymmetry in $T_{8}$ and $W$ exchange contributions. Predictions for branching ratios of $Λ^{0}_b o nγ$, $Ξ^{-}_b o Ξ^-γ$, $Ξ^{-}_b o Σ^-γ$, $Ξ^{0}_b o Σ^0γ$, $Ξ^{0}_b o Λ^0γ$, $Ξ^{0}_b o Ξ^0γ$, $Ξ^{*} o Ξγ$, $Σ^{*0} o Σ^{0}γ$, $Δ^0 o nγ$ and $Δ^+ o pγ$ are given. The results in this work can be used to test SU(3) flavor symmetry approach in the radiative baryon decays by the future experiments at BESIII, LHCb and Belle-II.

研究动机与目标

• 利用 SU(3) 靛子对称性研究底夸克和粲夸克重子的弱衰变与电磁辐射衰变。
• 基于 SU(3) 的不可约表示，推导不同衰变模式之间的振幅关系。
• 利用现有实验数据，预测未测量的电磁辐射衰变的分支比。
• 通过未来的实验测量，检验 SU(3) 不可约表示方法在电磁辐射衰变中的有效性。
• 区分衰变振幅中来自单夸克跃迁（例如 b→sγ）与 W-交换机制的贡献。

提出的方法

• 构建涉及八重态（T₈）、十重态（T₁₀）以及重子多重态（T_b3、T_b6、T_c3、T_c6）的 SU(3) 不可约表示振幅。
• 应用 SU(3) 靛子对称性，关联不同衰变模式之间的衰变振幅，尤其针对 T_b3、T_b6、T_c3、T_c6 和 T₁₀→T₈γ 衰变。
• 利用已测量的分支比，特别是 𝒫(Λ⁰_b→Λ⁰γ)，提取未知的 SU(3) 振幅，并预测未测量的分支比。
• 区分短距离（b→s/dγ）与长距离（W-交换）跃迁的贡献，尤其在 T₈→T′₈γ 和 T₁₀→T₈γ 衰变中。
• 在 SU(3) 框架内应用拓扑图方法，对夸克层次跃迁及其对称性约束进行建模。
• 通过有效哈密顿量的群论分解和 SU(3) Clebsch-Gordan 系数，推导振幅关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 SU(3) 靛子对称性如何关联不同重子多重态之间电磁衰变的振幅？
• RQ2 在 T₈→T′₈γ 和 T₁₀→T₈γ 衰变中，单夸克跃迁（如 b→sγ）与 W-交换贡献各自扮演什么角色？
• RQ3 SU(3) 不可约表示方法能否解释 Σ⁰→nγ 及其他超子衰变的当前实验数据？
• RQ4 对于未测量的电磁辐射衰变（如 Λ⁰_b→nγ 和 Ξ⁰_b→Λ⁰γ），其预测分支比是多少？
• RQ5 电磁衰变 T₁₀→T₈γ 的预测结果与现有数据及实验灵敏度相比如何？

主要发现

• 预测 Λ⁰_b→nγ 的分支比为 (1.25±0.13)×10⁻⁵，与 SU(3) 对称性框架一致。
• 预测 Ξ⁰_b→Λ⁰γ 的分支比为 (1.26±0.25)×10⁻⁵，为未来实验提供了可检验的预测。
• 预测电磁衰变 Σ*⁰→Σ⁰γ 的分支比为 (1.57±0.31)×10⁻³，与当前实验数据相符。
• 预测 Σ*⁰→Λ⁰γ 的分支比为 (1.25±0.13)×10⁻²，与实验观测结果在不确定度范围内一致。
• 预测 Ξ*⁻→Σ⁻γ 和 Ξ*⁰→Λ⁰γ 的分支比上限低于 10⁻⁴，表明其分支比极小。
• 预测 Δ⁺→pγ 的分支比为 (8.36±3.68)×10⁻³，与对称性约束所预期的数量级相符。