The Fourth Generation [Elektronische Ressource] : A Comprehensive Analysis / Christoph Promberger. Gutachter: Andrzej Jerzy Buras ; Alejandro Ibarra. Betreuer: Andrzej Jerzy Buras

Description

¨ ¨TECHNISCHE UNIVERSITAT MUNCHENLehrstuhl T31 fu¨r Theoretische ElementarteilchenphysikThe Fourth Generation:A Comprehensive AnalysisChristoph PrombergerVollsta¨ndiger Abdruck der von der Fakulta¨t fu¨r Physik der TechnischenUniversit¨at Mu¨nchen zur Erlangung des akademischen Grades einesDoktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)genehmigten Dissertation.Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Stefan Scho¨nertPru¨fer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr. Andrzej J. Buras2. Univ.-Prof. Dr. Alejandro IbarraDie Dissertation wurde am 24.5.2011 bei der Technischen Universit¨atMu¨nchen eingereicht und durch die Fakult¨at fu¨r Physik am 6.6.2011angenommen.ZusammenfassungGegenstand dieser Arbeit ist eine systematische ph¨anomenologische Analyse der als SM4bezeichneten Standardmodell-Erweiterung durch eine vierte Generation von Quarks undLeptonen. In diesem Rahmen behandeln wir neben direkten Messungen der beteiligtenParameter vor allem elektroschwache Pr¨azisionstests sowie Flavor- und CP-verletzende Ob-servablen im Quark- wie im Lepton-Sektor.Unsere Analyse elektroschwacher Pr¨azisionstests widerlegt die weit verbreitete Annahme,eine vierte Generation wu¨rde durch solche Messungen bereits ausgeschlossen. Allerdingswird der verfu¨gbare Parameterraum dadurch stark eingeschra¨nkt, insbesondere die Misch-ung zwischen Quarks der dritten und vierten Familie sowie die mo¨glichen Massendifferenzeninnerhalb der neuen Quark- und Lepton-Duplets.

Sujets

• Physik

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• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 28
• Langue: Deutsch
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Extrait

TECHNISCHEUNIVERSITA¨TMU¨NCHEN
LehrstuhlT31fu¨rTheoretischeElementarteilchenphysik

TheFourthGeneration:
AComprehensiveAnalysis

ChristophPromberger

Vollsta¨ndigerAbdruckdervonderFakulta¨tfu¨rPhysikderTechnischen
Universita¨tMu¨nchenzurErlangungdesakademischenGradeseines

DoktorsderNaturwissenschaften(Dr.rer.nat.)

genehmigtenDissertation.

Vorsitzender:Univ.-Prof.Dr.StefanScho¨nert
Pru¨ferderDissertation:1.Univ.-Prof.Dr.AndrzejJ.Buras
2.Univ.-Prof.Dr.AlejandroIbarra

DieDissertationwurdeam24.5.2011beiderTechnischenUniversita¨t
Mu¨ncheneingereichtunddurchdieFakulta¨tfu¨rPhysikam6.6.2011
angenommen.

Zusammenfassung
GegenstanddieserArbeitisteinesystematischepha¨nomenologischeAnalysederalsSM4
bezeichnetenStandardmodell-ErweiterungdurcheinevierteGenerationvonQuarksund
Leptonen.IndiesemRahmenbehandelnwirnebendirektenMessungenderbeteiligten
ParametervorallemelektroschwachePra¨zisionstestssowieFlavor-undCP-verletzendeOb-
servablenimQuark-wieimLepton-Sektor.
UnsereAnalyseelektroschwacherPra¨zisionstestswiderlegtdieweitverbreiteteAnnahme,
einevierteGenerationwu¨rdedurchsolcheMessungenbereitsausgeschlossen.Allerdings
wirdderverfu¨gbareParameterraumdadurchstarkeingeschra¨nkt,insbesonderedieMisch-
ungzwischenQuarksderdrittenundviertenFamiliesowiediemo¨glichenMassendierenzen
innerhalbderneuenQuark-undLepton-Duplets.
ImWeiterenberechnenwirmehrals30ProzesseimQuark-undLepton-Sektor,inde-
nenavor-a¨nderndeneutraleStro¨meund/oderVerletzungenderCP-Symmetrieauftreten.
Eswirdgezeigt,wieimSM4diebestehendenAnomalienimUnitarita¨tsdreiecksowiein
denCPAsymmetrienS undSKSgleichzeitigbehobenwerdenko¨nnen.Eineglobalenu-
merischeUntersuchungallerbehandelterObservablenschra¨nktdenParameterraumweiter
einundoenbartcharakteristischeKorrelationsmusterzwischenbestimmtenMessgro¨ßen.
Diehierdurcherhaltenenpha¨nomenologischenSignaturenerlaubenes,dasSM4eindeutig
vonanderenModellenneuerPhysikzuunterscheiden.

Abstract
ThesubjectofthisthesisisasystematicphenomenologicalanalysisoftheSM4,thestan-
dardmodelofparticlephysicsextendedbyafourthgenerationofquarksandleptons.In
thisframeworkwestudytheimpactofdirectmeasurementsoftheinvolvedparameters,
electroweakprecisiontests,aswellasavorandCPviolationobservablesinthequarkand
leptonsector.
Theanalysisofelectroweakprecisiontestsdisprovesthecommonlyheldassumptionthat
afourthgenerationwouldbeexcludedbytheseconstraints.Yet,theyimposeseverebounds
ontheinvolvedparameterspace,particularlythequarkmixingbetweenthethirdandfourth
familyandthepossiblemassdierenceswithinthenewquarkandleptondoublets.
Subsequently,wecalculatemorethan30avorchangingneutralcurrentandCP-violating
processesinthequarkandleptonsector.Itisshownhowtheexistinganomaliesinthe
unitaritytriangletsaswellasintheCPasymmetriesS andSKScanbeexplained
simultaneouslyintheSM4.Aglobalnumericalanalysisofallcalculatedobservablesfurther
constrainstheparameterspaceandrevealscharacteristicpatternsofcorrelationbetween
certainmeasurablequantities.Thephenomenologicalsignaturesobtainedinthiswayallow
toclearlydistinguishtheSM4fromothernewphysicsscenarios.

Contents

1.Introduction

2.TheSM4
2.1.ParticlesandProperties.............................
2.1.1.ExtendingtheSM............................
2.1.2.DirectSearchesandMassLimits....................
2.1.2.1.MassLimitsforFourthGenerationQuarks..........
2.1.2.2.MassLimitsforFourthGenerationLeptons.........
2.1.2.3.UpperMassBoundsfromPerturbativity...........
2.2.FermionMixing..................................
4MS2.2.1.The4×4QuarkMixingMatrixV..................
2.2.1.1.ParametrizationandUnitarity................
2.2.1.2.TreeLevelCKMConstraints.................
2.2.1.3.Simplications,WolfensteinExpansionandScalingScenarios
2.2.1.4.CP-ViolatingInvariants....................
4MS2.2.2.The4×4LeptonMixingMatrixU.................
3.ElectroweakPrecisionTests
3.1.ElectroweakPrecisionObservables........................
3.1.1.ObliqueParameters............................
3.1.1.1.GeneralIntroduction......................
3.1.1.2.ObliqueParametersintheSM4................
¯3.1.2.Non-ObliqueEects:ZbbVertex....................
3.2.NumericalAnalysisofElectroweakPrecisionTestsintheSM4........
3.2.1.Outline..................................
3.2.2.Boundons...............................
433.2.3.MassSplitting...............................

4.FlavorandCPViolationObservables
4.1.Preliminaries:EectiveHamiltoniansandLoopFunctions..........
4.1.1.IntroductiontoEectiveFieldTheories.................
4.1.2.GaugeIndependentLoopandMasterFunctionsintheSM4.....
4.1.2.1.GaugeIndependentLoopFunctions..............
4.1.2.2.MasterFunctions........................
4.2.QuarkFlavorandCPViolation.........................
4.2.1.Particle-AntiparticleMixing(F=2)andIndirectCPViolation..
4.2.1.1.K0K¯0Mixing(S=2)...................

3

999010111212131315171910232324242526282829203

333333345335737373

Contents

0¯0qq4.2.1.2.BBMixing(B=2)...................
0¯04.2.1.3.DDMixing(C=2)...................
4.2.2.LeptonicDecays..............................
+L4.2.2.1.K!...........................
+d,s4.2.2.2.B!..........................
4.2.3.Semi-LeptonicDecays..........................
0++L4.2.3.1.K!¯andK!¯.................
s,d4.2.3.2.B!X¯...........................
4.2.4.RadiativeDecays.............................
s4.2.4.1.B!X............................
+s4.2.4.2.B!X``..........................
+0L4.2.4.3.K!``..........................
4.2.5.CPViolationinKandBDecays....................
4.2.5.1.Preliminaries..........................
04.2.5.2.DirectCPViolationintheKsystem:"/"..........
4.2.5.3.CP-ViolatingBDecaysintoCPEigenstates.........
PC4.2.5.4.A(b!s)intheSM4....................
4.3.LeptonFlavorViolation.............................
4.3.1.Preliminaries...............................
ba4.3.2.DipoleTransitions(`!`)......................
4.3.3.Four-LeptonTransitions.........................
+bcb4.3.3.1.TheDecays!```...................
+ccb4.3.3.2.TheDecays!```...................
+bbba4.3.3.3.TheDecays`!```...................
4.3.4.Semi-LeptonicDecays.........................
4.3.5.Lepton-FlavorViolatingBandKDecays...............
0L,SL,S
4.3.5.1.K!eandK!e.................
dcq4.3.5.2.B!``...........................
4.3.6.eConversioninNuclei........................
4.3.7.AnomalousMagneticMomentoftheMuon...............
5.NumericalAnalysis
5.1.NumericalAnalysisoftheQuarkSector.....................
5.1.1.Preliminaries...............................
5.1.2.ViolationofUniversality.........................
5.1.3.CorrelationswithintheKSystem....................
5.1.4.CorrelationsInvolvingtheBSystem..................
sb5.1.5.TheCPAsymmetriesS,SandA...............
KSCP
05.1.6.TheRatio"/"..............................
5.1.7.ViolationofCKMUnitarity.......................
5.1.8.PatternsofCorrelationandComparisonwithotherModels......
5.2.AnatomyoftheQuarkSector..........................
5.2.1.Step1:ParameterScenarios.......................
5.2.2.Step2:AnticipatingLHCbResults...................

93142424345454647474949415151525657575758585950616363646566696969617277797184858787888

Contents1
5.3.DeterminingtheMatrixV..........................89
4MS5.3.1.Preliminaries...............................89
5.3.2.BasicObservables.............................91
5.3.3.Anatomyof4GMixingAnglesandCPPhases.............95
5.4.NumericalAnalysisoftheLeptonSector....................102
5.4.1.Preliminaries...............................102
+
5.4.2.!e,!eeeandeConversion............102
5.4.3.TheDecays!and!e.....................105
5.4.4.TheSemi-LeptonicDecaysand!................105
0LL5.4.5.K!eandK!e........................106
5.4.6.UpperBounds...............................107
5.4.7.PatternsofCorrelationandComparisonwithotherModels.....108
6.SummaryandConclusions111
A.EectiveFCNCVertices115
A.1.GenericEectiveVertices............................115
A.1.1.GenericBoxVertex............................115
0A.1.2.GenericZPenguinVertex........................117
A.1.3.GenericPhotonPenguinVertex.....................118
A.1.3.1.O-ShellPenguin.......................118
A.1.3.2.On-ShellPenguin.......................119
A.1.4.GenericGluonPenguinVertex......................120
A.2.WilsonCoecientsandGauge-IndependentLoopFunctions.........120
A.2.1.WilsonCoecientsforF=2FourFermionOperators.......120
A.2.2.WilsonCoecientsforF=1FourFermionOperators.......121
B.Reference:LoopFunctions123
Bibliography127
Danksagung146

1.Introduction

Theworldaroundusiscomposedofonlythreetypesofbasicelementaryparticles:Up-and
down-quarksaretheprincipalcomponentsofallatomicnuclei,andelectronsconstitutethe
atomicshells.Inaddition,thereistheelectronneutrinorstpostulatedbyPauliin1931[1]
anddiscoveredin1956[2],whichistoovolatiletoactasaconstituentofmatter.Thesefour
fermions–twoquarksandtwoleptons–comprisewhatwecalltodaytherstgeneration.
Therstindicationthatthisisnottheendofthestorycamefromthediscoveryofthe
muonin1937[3,4],whichisapproximately200timesheavierthantheelectronbutidentical