微扰QCD及其应用 吕才典(中科院高能物理所) CD Lu
内容提要 1. Motivation 2. 因子化假设/定理 3. 因子化方法 4. 微扰 QCD方法 5. 湮灭图 CD Lu
高能物理实验发展方向 更高能量:Tevatron, LHC,ILC,–– 直接对新粒子,新物理的探索 更高亮度:B工厂,tau-粲工厂等 –– 精确检验,间接新物理的探索,更经济 对超对称等新物理模型的参数限制大多来源于味物理实验 CD Lu
味物理重要性 标准模型包含两部分:规范耦合部分和汤川耦合部分 标准模型被实验验证很成功 但是新物理也被预期在几个TeV会出现 除了期待对称性破缺的机制外, 味物理中的质量来源问题 是更重要的没有解决的问题 CD Lu
Flavor problem SM flavor problem: hierarchy of masses and mixing angles; why ’s are different NP flavor problem: (hierarchy problem) TeV scale << flavor & CPV scale K: > 104 TeV, mB: > 103 TeV, mBs: > 102 TeV – Almost all extensions of the SM have new sources of CPV & flavor conversion – A major constraint for model building CD Lu
Flavor problem – The observed baryon asymmetry of the Universe requires CPV beyond the SM Not necessarily in flavor changing processes, nor necessarily in quark sector Flavor sector has only been tested at the 10% level and can be done a lot better Many NP models proposed to solve the hierarchy puzzle have observable effects CD Lu
Unitarity Vud Vub*+Vcd Vcb*+Vtd Vtb*=0 d’ Vud Vus Vub d s’ = Vcd Vcs Vcb s b’ Vtd Vts Vtb b Unitarity Vud Vub*+Vcd Vcb*+Vtd Vtb*=0 The triangles are measured mainly through non-leptonic B (bd) decays For example: α by B→ππ , πρ, α β by B→J/ψK, K VudVub* VtdVtb* γ by B→Kπ , Bs→Kρ, γ β VcdVcb*
Current CKM measurements 标准模型可以很好地解释目前的实验 CD Lu
重味介子的非轻子衰变: 研究背景和动机: 研究CP 破坏 – 特别是直接 CP 破坏 CKM 相角的直接测量 检验标准模型 新物理信号—稀有衰变等 … … CD Lu
重味介子的非轻子 衰变的计算 弱电相互作用-夸克层次的弱电衰变 微扰QCD的辐射修正 强子化过程的非微扰计算-最困难的部分 因子化定理(假设)的证明-与具体的过程有关 CD Lu
重味物理研究的基本方法 基于有效理论 算符乘积展开 重夸克展开 很少过程 手征拉氏量 特殊情况 重夸克展开 很少过程 手征拉氏量 特殊情况 Inclusive:理论计算精确,但实验测量困难 Exclusive:实验测量准确,则理论计算困难 CD Lu
重味物理研究的基本方法 *夸克模型 唯象模型、不是从QCD出发的 *QCD求和规则 技术原因,能应用到有限的情况 *格点规范 限制在能谱和有限过程计算中 其它非微扰方法:因子化、QCD因子化、微扰QCD、Soft collinear effective theory CD Lu
有效理论 有效理论计算精确可靠,因为有微扰论控制 通常是存在一个小的参数,可以作微扰展开 例如1/mb等, 注意:这里不是指强作用耦合常数alphs_s的微扰展开 CD Lu
算符乘积展开 B 物理中的基本现象是过程中涉及到不同的能量尺度 例如,在bc d 中, 有以下尺度 u b MW >> mb >> QCD 可以做mb / MW 和 QCD /mb的展开 u b d c CD Lu
算符乘积展开 VcbVud* 例如,在bc d 中, 有以下尺度 u MW >> mb p2 << MW b d [1+ + +… ] u b d c CD Lu
算符乘积展开 VcbVud* (1-5) b [1+ u + +… ] (1-5) u , b d [1+ + +… ] c [1+ + +… ] u b d c CD Lu
算符乘积展开 (1-5) b (1-5) u VcbVud* (1-5) b [1+ 条件: p2 <<MW2 p2 ≤ mb2 , mb2 / MW2 ~10–3 u b d c CD Lu
四夸克算符 (1-5) b (1-5) u VcbVud* (1-5) b [1+ L=1–5 CD Lu
企鹅图算符 R=1+5 企鹅图算符系数 b s t q CD Lu
电弱企鹅图算符 电弱企鹅图算符 s b t ,Z q CD Lu
四夸克算符 CD Lu
测不准原理:粒子动量为时,传播距离为x 1 / 对于动量为 QCD 的胶子, x 1/ QCD >> 1/MW W粒子传播的是点相互作用,胶子“看不到” W粒子的存在 对于有两个很不同的尺度的过程,会存在大对数sln (1/2)修正,从而破坏微扰展开 CD Lu
重整化群方程方法 函数 维数正规化: 一圈积分结果:2/ –+ln4 +sln () + s 对数项总是跟发散联系在一起的。 物理过程与重整化尺度无关 函数 CD Lu
重整化群方程方法 函数: 质量反常量纲 对数项总是跟发散联系在一起的。 反常量纲计算 格林函数 算符Wilson系数满足的演化方程 CD Lu
重整化群方程方法 snlnn(1/2) + sn+1lnn(1/2) + sn+2lnn(1/2)+.… 树图: 1 树图: 1 一圈图: sln (1/2) + s 二圈图: s2ln2(1/2)+ s2ln (1/2) +s2 三圈图: s3ln3(1/2)+s3ln2(1/2)+ s3ln (1/2) +s3 重整化群方程求和后, snlnn(1/2) + sn+1lnn(1/2) + sn+2lnn(1/2)+.… 零头阶求和 次领头阶 次次领头阶 CD Lu
重整化群方程方法 解重整化群 方程就可以得到 解重整化群 方程就可以得到 在较高的能量尺度,如MW尺度符通过匹配(matching)来计算出MW尺度的Wilson系数C(1) 利用满足的演化方程即可得到所需低能尺度的Wilson系数 C(2) CD Lu
重味介子的非轻子衰变计算 弱电相互作用-夸克层次的弱电衰变 微扰QCD的辐射修正 强子化过程的非微扰计算-最困难的部分 因子化定理(假设)的证明-与具体的过程有关 红外发散必须相消 CD Lu
What is factorization? Why factorization? A = Phi (p2) x J(p1,p2) x phi (p1) 两种展开级数必须互不干扰,只有相乘关系才可以 J(p1,p2) = 1+ alphs_s + alpha_s^2 + … phi (p1) = 1+ p1/mb + (p1/mb)2 不同尺度的物理是分离的 各种方法中真正能够精确计算的只有微扰部分 CD Lu
简单因子化的方法 Bauer, Stech, Wirbel, Z. Phys. C29, 637 (1985); ibid 34, 103 (1987) : BD,J/,DK,π等半轻子和非轻子衰变 Chau, Cheng, Sze, Yao, Tseng, Phys. Rev. D43, 2176, (1991); D58, 019902, (1998) (E) Ali, Kramer, Lu, Phys. Rev. D58, 094009 (1998) :Charmless B decays CD Lu
两个算符对 B→ π+ D– 衰变有贡献 W u 颜色增强的 颜色压低的 d d π+ π+ B0 D– B0 D– π+ π+ W u B0 D– B0 D– 颜色增强的 颜色压低的 C2 ~ 1 > C1(1/3+S8) ≡C1/Nc ~ –0.2/3 d d CD Lu
简单因子化的方法 非轻子衰变矩阵元可以利用因子化假设分成两部分: 微扰QCD可以计算的短程部分 强子参数: 形状因子和衰变常数 强子参数: 形状因子和衰变常数 < π+D–|Heff|B> = a1<π| |0> <D| |B> = (C2+C1 /Nc) fπ F0B→D 第一类衰变:∝ a1 ~ 1, 非因子化贡献很小 CD Lu
对于 B→π0D0衰变也有两个算符贡献 u W 颜色增强图 颜色压低的 d d B0 π0 B0 π0 颜色增强图 颜色压低的 C1 ~ – 0.2 ~ C2(1/3 +s8) ≡ C2/Nc ~ 1/3 d d CD Lu
因子化方法中的第二类衰变 非轻子衰变矩阵元可以利用因子化假设分成两部分: = a2<D| |0> <π| |B> = (C1+C2 /Nc) fD F0B→π Class II衰变: ∝ a2= C1+C2 /Nc ,很小, 非因子化贡献可能大,实验发现, B→π0D0衰变分支比较大,因子化方法很难解释 CD Lu
因子化方法中的第三类衰变 B+ B+ u u B+ B+ u u CD Lu
因子化方法中的第三类衰变 带电的B±衰变,a1和a2都会贡献 = a2<D| |0> <π| |B> = a2 fD F0B→π +a1 fπ F0B→D Class III衰变: ∝ a1+r a2 由于a1比 a2大,因而这类衰变与第一类衰变类似,非因子化贡献不是很大 CD Lu
因子化方法 π 第一类衰变: M (B0 → π +D–) ∝ C2 + C1 /Nceff = a1 第二类衰变: 第三类衰变: M (B+ → π +D0) ∝ (C2 + C1) (1+/Nceff ) = a1 + r a2 CD Lu
BD衰变的计算结果(x10–4) a1=1.08 a2=0.21 M. Neubert, B.Stech, hep-ph/9705292 衰变道 理论结果 实验 D*+– 29 27.6±2.1 D+ – 30 30±4 D*00 1.0 1.7±0.5 D0 0 0.7 2.9±0.5 D*0+ 48 46±4 D0 + 53±5 a1=1.08 a2=0.21 M. Neubert, B.Stech, hep-ph/9705292 CD Lu
Isospin triangle Later experiments found much larger B0D0 pi0 branching ratios D+ – (a1) D00 (a2) D0+ (a1+a2) CD Lu
Isospin triangle Later experiments found much larger B0D0 pi0 branching ratios D+ – (a1) D00 (a2) D0+ (a1+a2) CD Lu
Heavy to light decays B pi pi, pi K etc. D(s) pi pi, pi K etc. CD Lu
对于 B→ π+π–衰变 W u d d 颜色增强的 颜色压低的 π+ π+ B0 π– B π– π+ π+ W u B0 π– B π– d d 颜色增强的 颜色压低的 C2 ~ 1 > C1/3 ~ – 0.2/3 CD Lu
B→ππ,πρ,πω衰变由两类夸克图贡献: O1,O2 O3,O4,O5,O6 W b u 树图 ∝ VubVud* d π () b t 企鹅图∝VtbVtd* B π O1,O2 O3,O4,O5,O6 CD Lu
B→ππ衰变的因子化振幅 第一类衰变 3 3 第二类衰变 CD Lu
B→ππ衰变的因子化振幅 第三类衰变 同位旋关系: CD Lu
Isospin triangle Later experiments found much larger B0pi0 pi0 branching ratios 00 + – 0+ CD Lu
B→Kπ衰变的因子化振幅 第四类衰变 CKM矩阵元 a4类似于a1,非因子化贡献 比较小 企鹅图贡献为主的过程 CD Lu
纯企鹅图贡献过程B+→ π+K0 BπK一共有四个衰变道, 基本都正比于Bπ的形状因子,或BK形状因子 第四类衰变 BπK一共有四个衰变道, 基本都正比于Bπ的形状因子,或BK形状因子 形状因子的选取因而没有很大的自由度 CD Lu
纯企鹅图贡献的过程B→KK 第四类衰变 此衰变正比于B→K的形状因子和|Vtd| CD Lu
纯企鹅图贡献过程B→Kπ、KK 第四类衰变 CD Lu
纯企鹅图贡献过程B→π、K 第五类衰变 a3,a5依赖于非因子化贡献 < a4 CD Lu
因子化方法 因子化方法中主要的输入参数是形状因子和衰变常数 轻介子的衰变常数已经被实验很好测量 形状因子虽然有不确定性,但三个衰变道 必须用同样的Bπ形状因子。一个参数同时满足三个实验测量值是不容易的。 预言得很小 CD Lu
推广的因子化方法 Nceff ≠ 3 来引入一些非因子化的贡献 Nceff = 2 可以解释大多数的 B 介子的非轻子衰变 – 例如 B0 → π +D–, B+ → π+D0 也就是说,对于第一、第三类和第四类衰变(因子化贡献为主),实验理论符合得很好。 但是对于第二类和第五类衰变则不好。 例如 B0 → π0D0的理论计算值则远小于实验。 CD Lu
因子化方法的缺点 非因子化贡献的大小不能预言 形状因子的大小依赖于实验和其它方法的计算 —直接影响分支比的计算(误差的主要来源) 湮灭图的计算存在困难(大小不能确定) 强相互作用相角不能准确计算 —影响CP破坏大小的预言 末态相互作用的计算存在很大困难 CD Lu
改进的方法: 虽然因子化方法成功地解释了许多B和D衰变的分支比,但是理论上仍然存在着需要改进的地方 1 QCD因子化 方法(BBNS) 3 soft-collinear-effective theory CD Lu
QCD因子化方法(参考文献) M. Beneke, G. Buchalla, M. Neubert, C.T. Sachrajda, Nucl. Phys. B591, 313-418 (2000) M. Beneke, G. Buchalla, M. Neubert, C.T. Sachrajda, Nucl. Phys. B606, 245-321 (2001) M. Beneke, M. Neubert, hep-ph/0308039 CD Lu
微扰QCD方法参考文献 G.P. Lapage and S.J. Brodsky, Phys. Lett. B87, 359 (1979); Phys. Rev. D 22, 2157 (1980) Y.Y. Keum, H-n. Li, and A.I. Sanda, Phys. Rev. D63, 054008 (2001), hep-ph/ 0004173 Lü, Ukai,Yang, Phys. Rev. D63, 074009 (2001), hep-ph/ 0004213 H.n. Li, hep-ph/0303116 CD Lu
PQCD方法的图像 四夸克算符 虚线内是有效的六夸克相互作用(微扰的) CD Lu
Picture of PQCD Approach 4-quark operator b (5.3GeV) hard interaction inside the dotted line CD Lu
微扰QCD方法 B0 B→ππ 等衰变末态粒子质量可以忽略, 粒子衰变动量为mB/2~2.6GeV 末态粒子中的价夸克携带大于1GeV的动量 一个动量很大的轻介子 微扰QCD可以适用 B0 CD Lu
因子化公式 PQCD方法 A ~ ∫d4k1 d4k2 d4k3 Tr [ C(t) B(k1) (k2) (k3) H(k1,k2,k3,t) ] exp{–S(t)} (k3) 等是介子的光锥波函数 C(t)是四夸克算符的Wilson系数 exp{-S(t)}是联系短程和长程相互作用的Sudakov因子(double log resummation),它能有效地压低长程作用的贡献。 H(k1,k2,k3,t)是六夸克相互作用的微扰计算。 CD Lu
光锥波函数 twist-3 twist-2 轻介子的波函数 赝标量介子 矢量介子 纵向极化 横向极化 CD Lu
光锥分布函数 夸克动量k1=x pπ 反夸克动量(1-x) pπ pπ 为π 介子动量 当x0或x1时, 对于π等轻介子的光锥分布函数由QCD求和规则等的计算得到 夸克动量k1=x pπ 反夸克动量(1-x) pπ pπ 为π 介子动量 当x0或x1时, ~ x (1-x) 0, 端点压低 x 1/2 1 CD Lu
PQCD微扰计算H(t)的费曼图 计算形 状因子 的费曼 图 非因子 化的贡 献 CD Lu
PQCD微扰计算H(t)的费曼图 非因子 化的湮 灭图 因子化 的湮灭 图 CD Lu
光锥变量 ’ B 协变动量 p = (p0,p1,p2,p3) 光锥动量 p = (p+,p–,p1,p2) pB=mB(1,1,0), p=mB(1,0,0), p’=mB(0,1,0) p2=0, pB2= mB2 ’ B CD Lu
一个费曼图的计算 波函数 k2=mB(y,0,k2T), k1=mB(0,x,k1T) k2·k1= k2+k1– - k2T·k1T ≈ mB2xy CD Lu
端点发散 胶子传播子 x,y都是01的积分变量,端点发散 夸克横动量在分布函数端点时不能忽略 发散消除 CD Lu
端点发散 对数发散 夸克传播子类似 发散消除 CD Lu
费曼图的计算 对kT作Fourier变换,可以使分母的传播子变到分子,成为贝塞尔函数,数值积分收敛性好 CD Lu
端点发散 非因子化贡献图中也有类似胶子传播子 但两个图的端点发散可以互相抵消,因而在QCD因子化中可以计算这两个图,而不需要引入横动量 CD Lu
端点发散 但是,当发射的是D介子等不对称波函数的粒子时两个图的端点发散不能互相抵消,因而在QCD因子化中不可以计算这两个图,QCD因子化方法中的第二类衰变结果很不好 D D u u CD Lu
Sudakov因子 软发散和共线发散会给出双对数项ln2Pb,需要求和,从而给出Sudakov因子 CD Lu
Sudakov因子exp{–S(x,b)} CD Lu
阈值求和 可以参数化为: CD Lu
Two operators contribute to decay: B0 0 B0 0 color enhanced color suppressed C1 ~ – 0.2 ~ 1/3 C2 ~ 1/3 u u d d CD Lu
For decay, these two diagrams do not cancel arg (a2/a1) ~ – 41° D+ – (a1) D00 (a2) D0+ (a1+a2) CD Lu
Branching ratios of BD(*) modes Fac. A PQCD EXP. D*+ – 29 25 27.6±2.1 D+ – 30 27 30±4 D*0 0 1.0 2.8 1.7±0.5 D0 0 0.7 2.5 2.9±0.5 D*0+ 48 53 46±4 D0 + 54 53±5 a1=1.08 a2=0.21 for Fact. Approach (x 10–4) PQCD: Keum et al, PRD69:094018,2004 CD Lu
微扰QCD的计算结果 衰变道 微扰QCD 实验 (10–6) π+π– 6±2 4.6±0.4 π0π0 0.3±0.1 1.5 ±0.5 π+π– 6±2 4.6±0.4 π0π0 0.3±0.1 1.5 ±0.5 π+π0 3.7±1 5.5 ±0.6 Lü,Ukai,Yang, Phys. Rev.D63, 074009 (2001) CD Lu
B pi pi decays Mode Exp pQCD(LO) NLO u u d d CD Lu
B πρ, πω的衰变 衰变道 PQCD 实验 (10–6 ) π+ρ0 5.5 ±1.0 8.0±2.4(Belle) π+ρ–+ π–ρ+ 26 ± 6 25 ±7 π+ω 5.4 ±1.1 6.6±2.2(BaBar) Lü,Yang, Eur. Phys. J. C23, 275 (2002) CD Lu
H(t)计算中不同αs的贡献相对大小 Fraction αs/ CD Lu
PQCD方法中的主要误差来源 重介子的波函数不确定性,如B和D介子 手征增强因子m0的大小 次级修正的大小 αs2 高扭度算符和波函数的贡献 末态相互作用的大小难以确定 CD Lu
Next-to-leading order contribution Vertex corrections, quark loops, magnetic penguins Li, Mishima, Sanda hep-ph/0508041 CD Lu
Branching ratio in NLO(10-6) Li, Mishima, Sanda hep-ph/0508041 CD Lu
微扰QCD方法 微扰 QCD 方法是一个自恰的 两体B 介子非轻子衰变理论 Sudakov因子有效地压低了非微扰的贡献 非因子化和湮灭图的贡献在B 介子的非轻子衰变中起着很重要的作用, 特别是对CP破坏的研究上(强位相) 微扰 QCD 方法预言了较大的CP 不对称性 理论的正确性将很快被实验验证. CD Lu
Probing annihilation CD Lu
“Annihilation” W annihilation W exchange Time-like penguin Space-like penguin Can not be universal for all decays, since not only one type ----sensitive to many parameters CD Lu
Annihilation-Type diagrams W W W annihilation W exchange W W Time-like penguin Space-like penguin CD Lu
Pure Annihilation Type B Decay The four quarks in final States are different from the ones in B meson. CD Lu
Naïve Factorization fail ? Momentum transfer: CD Lu
PQCD Picture of Six quark interaction inside the dashed line CD Lu
CD Lu
Annihilation suppressed ~1/mB or 1/mD 10% B Helicity suppressed: pseudo-scalar decays to two massless quarks CD Lu
PQCD Approach (K) D D Two diagrams cancel each other CD Lu
W-exchange mode D0 bar-K0 D-S Du, Y Li, -D Lu, CPL.23:2038 (2006) D0 D0 c c s s Theory Exp. Brs: (8.7 1.6) x 10 –3 (9.4 1.1) x 10 –3 CD Lu
W Exchange Process CD Lu
纯湮灭图贡献的衰变 初态和末态的夸克都不相同, 只能通过湮灭图衰变 DS– s B+ d u K+, 在因子化方法中,需要计算DsK在大动量转移q2=mB2处的形状因子,很困难 初态和末态的夸克都不相同, 只能通过湮灭图衰变 CD Lu
W exchange process Results: Reported by Ukai in BCP4 (2001) before Exps: Lü, Ukai, hep-ph/0210206 CD Lu
The Hadronic Picture Br(BD) ~10 –3 Br(BDSK) ~10–5, 1-2 % Both Vcb CD Lu
Quark Picture u + B0 D– u K+ s d d CD Lu
Quark Picture u + B0 D– u K+ s d d CD Lu
Quark Picture u + B0 D– u K+ s d u K+ d s CD Lu
Decays with Double charm CD Lu
For (V-A)(V-A), left-handed current spin (this configuration is not allowed) B fermion flow momentum p2 p1 Like Be e pseudo-scalar B requires spins in opposite directions, namely, helicity conservation Annihilation suppression ~ 1/mB ~ 10% CD Lu
No suppression for O6 Space-like penguin Become (s-p)(s+p) operator after Fiertz transformation Chirally enhanced No suppression, contribution “big” (20-30%) + (K+) u d – d CD Lu
Direct CP violation CD Lu
直接CP破坏 假设有两项不同的贡献 CD Lu
直接CP破坏 标准模型中直接CP破坏需要三个条件 两个大小相差不大的振幅 两个振幅有不同的弱位相差 两个振幅有不同的强作用位相差 微扰论 非微扰QCD CD Lu
B→, K Have Two Kinds of Diagrams with different weak phase b W u Tree ∝ VubVud*(s) B d(s) (K) W b t Penguin∝VtbVtd* (s) (K) O1,O2 O3,O4,O5,O6 CD Lu
Strong phase is important for direct CP But usually comes from non-perturbative dynamics, for example K K D K For B decay, perturbative dynamic may be more important CD Lu
Strong phase in QCD factorization The strong phase of Both QCD factorization and generalized factorization come fromperturbative QCD charm quark loop diagram It is small, since it is at αs order Therefore the CP asymmetry is small CD Lu
Inclusive Decay ~ Cut quark diagram ~ Sum over final-state hadrons Off-shell hadrons On-shell CD Lu
CP Violation in B (K) (real prediction before exp.) FA BBNS PQCD Exp +K – +9±3 +5±9 –17±5 –9.7±1.2 0K + +8 ± 2 7 ±9 –13 ±4 4.7 ± 2.6 +K 0 1.7± 0.1 1 ±1 –1.0±0.5 0.9 ±2.5 + – –5±3 –6±12 +30±10 +38±7 (2001) CD Lu
Large transverse component in BK* decays Annihilation can also enhance transverse contribution s d K* d CD Lu
Large transverse component in BK* decays Annihilation can enhance transverse contribution: RL = 59% (exp:50%) and also right ratio of R=, R and right strong phase =, H-n Li, Phys. Lett. B622, 68, 2005 s d K* d CD Lu
Polarization of BVV decays CD Lu
e+e - J/ c Similar to the annihilation diagram, also proved by exp. to be large W W annihilation e+e - J/ c Y-J Zhang, Y-j Gao, K-T Chao, PRL 96, 092001 (2006) CD Lu
e+e - (), () Similar to the annihilation diagram, also proved by exp. to be large W W annihilation e+e - () C-D Lu, W Wang, Y-M Wang, PRD75:094020,2007 CD Lu
Summary The annihilation type diagrams are important for non-leptonic B decays The predicted branching ratio (BDSK) in PQCD approach agree with experiments PQCD can give the right sign for direct CP asymmetry the strong phase from PQCD (annihilation) probably be the dominant one. CD Lu
New physics at TeV Promising hypotheses that predict new elementary particles in the TeV scale (SUSY, extra-dimension, etc.) More ambitious proposals that incorporate flavor symmetries (and violation) to answer the deeper questions of flavor physics. New CP-violating phases and new interactions of quarks and leptons almost expectable CD Lu
New particles must come with New Flavor Mixing. New physics at TeV New particles must come with New Flavor Mixing. Many models/hypotheses Experiments should decide CD Lu
谢谢! CD Lu