Analysis of new physics in B decays

Abstract

Eine Extraktion des CKM-Matrixelements V cb aus dem inklusiven Zerfall B→ X c lν liefert den genauesten Wert mit einem relativen Fehler von ca. 2 %. Dies liegt an der präzisen theoretischen Beschreibung durch die Heavy-Quark-Expansion (HQE) und den enormen Datenmengen, die von den B-Fabriken Babar und Belle gesammelt worden sind. Außer der präzisen Bestimmung von V cb und den HQE-Parametern ermoglicht uns der Zerfall auch einen Test auf Neue Physik. Normalerweise werden Zerfälle mit einem kleinen Standardmodell-Beitrag auf der Suche nach Neuer Physik untersucht. Dazu zählen insbesondere Flavour-ändernde neutrale Strome, die durch den GIM-Mechanismus unterdrückt sind. Aber da rechtshändige schwache Strome im Standardmodell nicht auftauchen wäre ein entsprechendes Signal ein eindeutiger Hinweis auf Neue Physik in diesem Zerfall. Wir werden eine solche Analyse durchführen, die aus dem leptonischen Sektor als ,,Michel-Parameter-Analyse'' bekannt ist. Beiträge moglicher Neuer Physik werden mit Methoden effektiver Theorien hergeleitet, die einen erweiterten b→ c Strom ergeben, der nicht nur einen rechtshändigen Vektor-Beitrag hat, sondern auch skalare und tensorielle Kopplungen. Wir werden die Berechnung des Zerfalls mit dem erweiterten Strom bis O (1/m b 2 ) in der HQE und O (α s ) in der perturbativen Entwicklung wiederholen. Eine Momentenanalyse mit den Momenten des Leptonenergiespektrums und dem Spektrums der hadronisch invarianten Masse ist sowohl in der theoretischen Berechnung als auch in der experimentellen Bestimmung zu einem verlässlichen Werkzeug geworden. Beides fließt in den HQE-Fit ein, der regelmäßig verbessert wird und eine präzise Bestimmung der HQE-Parameter liefert, speziell den genauesten Wert für V cb . Der HQE-Fit kann darüberhinaus auch als Test auf Neue Physik in diesen Momenten dienen. Die theoretische Auswertung der Momente lässt eine niedrige Sensitivität der Momente auf Nicht-Vektorstrome erkennen. Daher werden wir den Fit lediglich mit einem moglichen rechtshändigen Vektorstrom durchführen. Die Erfahrung in der HQE und der perturbativen Entwicklung ermoglicht es uns über die Strahlungskorrekturen zu den HQE-Parametern μ π 2 und μ G 2 nachzudenken, die ein fehlendes Puzzleteil in der präzisen Bestimmung des Zerfalls B→ X c lν darstellen. Die Strahlungskorrekturen zu μ π 2 konnen sehr einfach mit Reparametrisierungsinvarianz bestimmt werden, wie wir in dieser Arbeit zeigen werden. Leider konnen die Strahlungskorrekturen zu μ G 2 nur durch eine volle Rechnung ermittelt werden. Wir werden kurz die Strategie für eine solche Rechnung erläutern und das Ergebnis für ein bestimmtes Moment der partonisch invarianten Masse angeben, das nur durch die Berechnung der reellen Strahlungskorrekturen erhalten werden kann.

The inclusive semileptonic decay B→ X c lν yields the best extracted value of V cb with an uncertainty of about 2 %, which is due to its precise theoretical description by the heavy-quark expansion (HQE) and the large amount of data collected by the B factories Babar and Belle. Besides the precision determination of V cb and the HQE parameter it also enables us to test for new physics effects. Normally decays with a small standard model contribution are investigated on the quest for new physics, like flavour-changing neutral currents, which are suppressed in the standard model by the GIM mechanism. But as right-handed weak currents are absent in the standard model their appearance would be a smoking gun signal for new physics in the decay considered here. We will perform such an analysis, which is known form the leptonic sector as "Michel parameter analysis".Contributions from possible new physics effects will be derived with effective field theory methods, yielding an enhanced b → c current, with not only a right-handed vector contribution, but also scalar and tensor couplings. We will repeat the computations of the decay with the enhanced current up to O (1/m b 2 ) in the HQE and up to O (α s ) in the perturbative corrections. A moment analysis of the moments of the lepton energy spectrum and the hadronic invariant mass has become a reliable tool in both the theoretical evaluation and the experimental determination. This combines in a HQE fit, which has been improved frequently, yielding a precise determination of the HQE parameters and especially the best extracted value for V cb . The HQE fit may as well serve as a test for new physics effects in these moments. The theoretical analysis of the moments reveals a low sensitivity of the moments on the non-vector currents. Thus we perform the fit with only a possible right-handed vector current contribution. The experience in both, the HQE and the perturbative expansion enables us to consider the radiative corrections to the HQE parameters μ π 2 and μ G 2 , which are a missing puzzle piece in the precise determination of the decay B→ X c lν. The determination of the perturbative correction to μ π 2 can be easily done via reparametrization invariance, which we will present in this work. Unfortunately, the O (α s ) corrections to μ G 2 can only be obtained by a full calculation. We will present briefly the strategy for such a calculation and give the result for a certain moment of the partonic invariant mass, which can be obtained by only the real corrections, which have been done.