Verbesserte Beschreibung des Di-Pion-Systems in semileptonischen B-Zerfällen
Hadronen, die Quarks oder Antiquarks des Bottom-Typs (b) enthalten, werden als B-Hadronen bezeichnet. Ihre semileptonischen Zerfälle, bei denen leichtere Hadronen gemeinsam mit Leptonen entstehen, bieten zahlreiche Möglichkeiten zur Überprüfung des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik. Semileptonische B-Zerfälle liefern Informationen über die CKM-Matrix – eine unitäre 3x3-Matrix, die das Quarkmischungsverhalten beschreibt und damit einen der faszinierendsten Aspekte des SM darstellt. Abweichungen von der Unitarität dieser Matrix würden auf neue Physik hindeuten, weshalb die präzise Bestimmung ihrer Elemente Gegenstand intensiver experimenteller und theoretischer Forschung ist.
Die Experimente LHCb und Belle II untersuchen derzeit eine Vielzahl semileptonischer B-Hadronen-Zerfälle, mit deren Hilfe die CKM-Matrixelemente Vcb und Vub direkt bestimmt werden können. Die Extraktion dieser Größen aus experimentellen Daten erfordert ein genaues theoretisches Verständnis der nicht-perturbativen starken Wechselwirkungen zwischen Quarks und Antiquarks.
Theoretische Beschreibungen semileptonischer B-Zerfälle mit mehreren Hadronen im Endzustand, etwa B → ππ ℓ ν, einem bedeutenden Untergrundprozess für die Vub-Bestimmung in B → π ℓ ν oder B → ρ ℓ ν, sind häufig nur in bestimmten kinematischen Bereichen gültig oder beruhen auf modellabhängigen Annahmen wie dem Grenzfall schmaler Resonanzen.
Ein Forscherteam am KIT, der Universität Zürich und der Universität Bonn hat nun erstmals einen allgemeinen und modellunabhängigen theoretischen Rahmen für die Analyse von B-Zerfällen mit zwei Hadronen im Endzustand entwickelt. Mit diesem Ansatz wurde die verfügbare Datenlage zu B → ππ ℓ ν analysiert. Dabei fanden die Forscher*innen nur sehr geringe Beiträge aus S- und D-Wellen im Signalbereich der B → ρ ℓ ν-Zerfälle – ein möglicher Hinweis zur Auflösung bestehender Spannungen in der Vub-Bestimmung. Diese Ergebnisse fließen derzeit bereits aktiv in eine laufende LHCb-Analyse ein, die voraussichtlich zur bislang präzisesten Messung der entsprechenden Zerfallsrate führen wird.
Dr. Raynette van Tonder beschreibt ihre Arbeit folgendermaßen: „Diese Studie stellt zwar nur einen notwendigen ersten Schritt in der Untersuchung semileptonischer Zerfälle mit zwei oder mehr Hadronen im Endzustand dar, aber die gewonnenen Ergebnisse haben weitreichende Konsequenzen für die Bestimmung von Vub in B → ρ ℓ ν-Zerfällen. Sie eröffnet modellunabhängige Studien, die unser Verständnis grundlegender Parameter und der Spektroskopie leichter Mesonen verbessern werden.“
Der Artikel wurde als Editor’s Suggestion in PRD veröffentlicht.
Kontakt: Dr. Raynette van Tonder