background image

Non-Standard Interactions

&

the study of

Ï„

→

ηπν

Ï„

Riazuddin

1

Centre for Advanced Mathematics and Physics

National University of Science and Technology

and

High Energy Theory Group
National Centre for Physics

December 29, 2009

1

In Collaboration with Nello Paver (ICTP, Trieste, Italy)

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

1 / 25

background image

Motivation

The decays of

Ï„

−

leptons

provide a good laboratory for the analysis of

various aspects of Particle Physics.
In particular,

Ï„

−

decays

into hadrons allow us to study hadronization

of vector and axial vector currents and thus can be used to study to
determine intrinsic properties of hadronic resonances that, together
with chiral symmetry, governs the dynamics of these processes.
Consider a general decay

Ï„

(

k

)

→

X

(

p

x

) +

ν

Ï„

(

k

0

)

X

is any number of hadrons allowed by energy conservation.

The

T

matrix is

T

=

−

G

0

√

2

h

X

|

J

µ

|

0

i

u

(

k

0

)

γ

µ

(

1

−

γ

5

)

u

(

k

)

J

µ

=

V

µ

−

A

µ

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

2 / 25

background image

Example (1):

X

=

Ï€

−

Ï€

0

Ï€

+

[Ref: D. Gomez Dumm et al. arXiv:0911.4436]
In the iso-spin limit

h

Ï€

−

(

p

1

)

Ï€

0

(

p

2

)

Ï€

+

(

p

3

)

|

A

µ

|

0

i

=

V

µ

1

F

1

+

V

µ

2

F

2

+

θ

µ

F

p

V

µ

1

= (

g

µν

−

θ

µ

θ

ν

θ

2

)(

p

1

−

p

3

)

ν

V

µ

2

= (

g

µν

−

θ

µ

θ

ν

θ

2

)(

p

2

−

p

3

)

ν

θ

µ

=

p

µ

1

+

p

µ

2

+

p

µ

3

F

1

and

F

2

derive a

J

p

=

1

+

transition while

F

p

accounts for

J

p

=

0

−

transitions: very much suppressed,

O

(

m

Ï€

2

)

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

3 / 25

background image

Example (2):

X

=

Ï€

+

Ï€

0

,

J

µ

=

V

µ

h

Ï€

+

(

k

)

Ï€

0

(

p

)

|

V

µ

|

0

i

=

−

√

2

G

F

V

ud

[

f

+

(

t

)(

p

−

k

)

µ

−

f

−

(

t

)(

p

+

k

)

µ

]

t

= (

p

+

k

)

2

Using iso-spin limit and CVC

f

+

(

t

) =

F

Ï€

(

t

)

,

f

−

(

t

) =

0

F

Ï€

(

t

)

is the pion electromagnetic form factor

T

µ

=

h

Ï€

+

(

k

)

Ï€

−

(

p

)

|

V

µ

em

|

0

i

= (

p

−

k

)

µ

F

Ï€

(

t

)

F

Ï€

(

0

) =

1, normalization condition for the pion electric charge

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

4 / 25

background image

Theoretical Frame work

At low energies

E

<

M

p

(770

Mev

), Chiral symmetry is an approximate

symmetry of QCD which then derives the interaction of light
pseudoscalar mesons. However, in general this approximation cannot
be excited to the intermediate energy range, in which the dynamics of
resonant states play a major role.
Example I:

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

5 / 25

background image

Example II: For

t

≥

4

m

2

Ï€

,

t

= (

p

+

4

)

2

is time-like

F

Ï€

(

t

)

being analytically continued to the space-like region,

corresponds to

h

Ï€

+

(

k

)

|

V

µ

em

|

Ï€

+

(

−

p

)

i

related to

h

Ï€

+

(

k

)

Ï€

−

(

p

)

|

V

µ

em

|

0

i

, by assuming crossing symmetry.

Perturbative QCD gives

lim

t

→−∞

F

Ï€

(

t

)

∼

ds

(

t

)

t

An important role is played by the dispersion relation.

F

Ï€

(

t

) =

1

Ï€

Z

∞

4

m

Ï€

2

dt

=

F

Ï€

(

t

0

)

t

0

−

t

−

ic

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

6 / 25

background image

The above asymptotic behaviour allows an unsubtracted dispersion
relation. Now

Abs

[

T

µ

] =

1

2

X

h

Z

d

Ï„

h

h

Ï€

+

(

k

)

Ï€

−

(

p

)

|

h

ih

h

|

V

µ

em

|

0

i

The states which contribute

J

pc

(

I

G

) =

1

−−

(

1

+

)

i.e.

Ï

,

Ï

0

, ...

f

(

t

)

≡

F

Ï€

(

t

) =

R

Ï

M

2

Ï

M

2

Ï

−

t

+

R

Ï

0

M

2

Ï

0

M

2

Ï

0

−

t

+

...

R

Ï

M

2

Ï

=

F

p

g

Ïππ

,

h

Ï

0

|

V

µ

em

|

0

i

=

f

Ï

µ

h

Ï€

+

(

k

)

Ï€

−

(

p

)

|

Ï

0

i

= (

p

−

k

)

ν

ν

g

Ïππ

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

7 / 25

background image

Contributions of Excited States

One possibility is to adopt the "dual resonance model" inspired by
Veneziano.
(see for Example:

Frampton, Phys. Rev. D1, 3141 (1969);

Urrutia, Phys. Rev. D9, 3213 (1974);

C. A. Dominguez, Phys. Lett. B512, 331 (2001);

Bruch, Eur. Phys. J. C39, 41 (2005)

)

Sum of poles corresponding to radial excitations n (with

n

=

0

≡

Ï

,

n

=

1

≡

Ï

0

,

etc

.

):

F

Ï€

(

t

) =

X

n

g

n

f

n

1

M

2

n

−

t

with, in our case,

n

=

0 for

Ï

and

n

=

1 for

Ï

0

.

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

8 / 25

background image

Ingredients:

Ï

-meson â€œuniversal†linear Regge trajectory

α

Ï

(

t

) =

1

+

α

0

t

−

M

2

Ï

,

α

0

'

1

2

M

2

Ï

giving the spectrum

M

2

n

=

M

2

0

·

(

1

+

2

n

)

This model would give for the

Ï

0

(

1450

)

:

M

Ï

0

=

1

.

33

GeV

, a

reasonable approximation to the measured mass (10%). The couplings
are given by

g

n

f

n

=

(

−

1

)

n

Γ(

β

−

1

/

2

)

α

0

√

Ï€

Γ(

n

+

1

)Γ(

β

−

n

−

1

)

with

β

related to the asymptotic behavior

F

(

t

)

→

1

/

t

β

−

1

as

t

→ âˆ’∞

.

F

Ï€

(

t

) =

g

Ïππ

f

Ï

M

2

Ï

−

t

+

g

Ï

0

ππ

f

Ï

0

M

2

Ï

0

−

t

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

9 / 25

background image

g

Ï

0

ππ

f

Ï

0

g

Ïππ

f

Ï

=

−

Γ(

β

−

1

)

Γ(

β

−

2

)

=

−

(

β

−

2

)

For

β

'

2

.

2-2.3 as used by Bruch to fit

F

Ï€

(

t

)

in the timelike region,

one finds numerically:

g

Ïππ

f

Ï

M

2

Ï

'

1

.

17

;

g

Ï

0

ππ

f

Ï

0

g

Ïππ

f

Ï

'

0

.

3

,

F

Ï€

(

0

)

'

1

.

04

Therefore:

Ï

VDM plus corrections, normalization at

t

=

0 missed by

only 4% taking into account finite width of resonances.
Final ansatz for

F

Ï€

(

t

)

is:

F

Ï€

(

t

) =

g

Ïππ

f

Ï

M

2

Ï

"

M

2

Ï

M

2

Ï

−

t

−

iM

Ï

Γ

Ï

(

t

)

−

(

β

−

2

)

M

2

Ï

M

2

Ï

0

−

t

−

iM

Ï

0

Γ

Ï

0

(

t

)

#

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

10 / 25

background image

We could add as many resonances as we want, the masses and
couplings are explicitly determined by the model.
For the widths, in principle we should take them

t

-dependent, in order

not to miss the normalization at

t

→

0, i.e.:

Γ

n

(

t

) =

M

2

n

t

q

(

t

)

q

(

M

2

n

)

3

Γ

n

,

where

q

is the C.M. momentum.

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

11 / 25

background image

The Decay

Ï„

+

→

ηπ

+

ν

Ï„

Why it is interesting?
We may assign to parts of hadronic weak current,

J

λ

, quantum

numbers, that the strong interactions conserve: Charge conjugation
parity, hypercharge, isospin, charge symmetry

U

=

e

i

Ï€

·

I

2

and

G

-parity.

Such an assignment is very important and is guided by selection rules
which holds for weak interaction.
Classification w.r.t

G

.parity

G

=

Ce

i

Ï€

·

I

2

=

CU

gives

GJ

0

λ

G

−

1

=

η

J

0

λ

η

=

±

according as

J

is

V

or

A

, superscript 0 indicates that it is

∆

Y

=

0 current.

The current is called first or second class, accordingly as

= +

1 or

−

1

under

G

-parity.

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

12 / 25

background image

In the Standard model currents are of first class. Thus for

I

=

1 vector

current, which is relevant for the above process is

V

λ

i

,

i

=

1

,

2

,

3

G

=

1

.

On the other hand

G

(

ηπ

+

) =

−

1

Thus within the Standard Model, the decay is iso-spin and

G

−

parity

violating and as such is suppressed by small value of

(

m

d

−

m

u

)

Λ

QCD

or

α

EM

.

Various estimates, indicate, its Branching ratio

B

expt

'

10

−

5

far below

B

expt

<

1

.

4

×

10

−

4

.

Thus the detection of the decay

Ï„

→

ηπν

Ï„

which is expected in near

future, might provide a unique signature for the "

second class

currents"

. It is worthwhile to point out interesting consequences of

various

B

values.

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

13 / 25

background image

We focus on the rate as expected within standard model due to isospin
violation.

T

µ

=

h

Ï€

+

(

k

)

η

(

p

)

|

V

µ

1

+

i

2

|

0

i

=

−

√

2

[

f

+

(

t

)(

p

−

k

)

µ

+

f

−

(

t

)(

p

+

k

)

µ

]

=

−

√

2

{

f

1

(

t

)[(

p

−

k

)

µ

−

M

2

η

−

M

2

Ï€

t

(

p

+

k

)

µ

]

+

f

0

(

k

)

M

2

η

−

M

2

Ï€

t

q

µ

}

q

=

p

+

k

,

q

2

=

t

h

Ï€

+

(

k

)

η

(

p

)

|

i

∂

µ

V

µ

1

+

i

2

|

0

i

=

−

(

−

√

2

)[(

M

2

η

−

M

2

Ï€

)

f

+

(

t

) +

tf

−

(

t

)]

=

√

2

f

0

(

t

)[

M

2

η

−

M

2

Ï€

]

f

0

(

t

) =

f

+

(

t

) +

t

M

2

η

−

M

2

Ï€

f

−

(

t

)

f

1

(

t

) =

f

+

(

t

)

f

1

(

0

) =

f

+

(

0

) =

f

0

(

0

)

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

14 / 25

background image

Chiral Symmetry Constraints

i

∂

µ

V

µ

1

+

i

2

= (

m

d

−

m

u

)¯

ud

= (

m

d

−

m

u

)

S

1

+

i

2

= (

m

d

−

m

u

)

Ï€

+

η

|

S

1

+

i

2

|

0

√

2

F

Ï€

lim

k

→

0

Ï€

+

η

|

S

1

+

i

2

|

0

=

i

η


F

5

1

−

i

2

,

S

1

+

i

2

0

Commutator

F

5

1

−

i

2

,

S

1

+

i

2

=

id

1

−

i

2

,

1

+

i

2

,

k

P

k

=

i

(

2

P

)

where (

P

j

= Â¯

qi

γ

5

(

λ

j

/

2

)

q

, Î»

0

=

p

2

/

3

I

)

2

P

=

2

√

3

(

P

8

+

√

2

P

0

)

=

2

1

2

¯

ui

γ

5

u

+ Â¯

di

γ

5

d

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

15 / 25

background image

Finally, the soft-pion low-energy theorem for

k

→

0 [

M

Ï€

→

0]reads

f

0

(

M

2

η

) =

−

1

2

F

Ï€

m

d

−

m

u

M

2

η

−

mM

2

Ï€

h

η

(

p

)

|

2

P

|

0

i

.

where in the Chiral limit

h

η

(

0

)

|

2

P

|

0

i

= +

1

F

8

2

√

3

ν

−

ν

=

h

0

|

¯

uu

|

0

i

=

h

0

|

¯

dd

|

0

i

=

h

0

|

¯

ss

|

0

i

F

Ï€

=

F

8

In this limit

M

2

η

=

2

¯

m

+

4

m

s

3

F

2

Ï€

ν

Thus

f

0

(

M

2

η

) = Ëœ

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

16 / 25

background image

where

˜

=

√

3

(

m

d

−

m

u

)

4

(

m

s

+

¯

m

2

)

'

Limiting to just

Ï

and

Ï

0

√

2

f

1

(

t

) =

g

Ïηπ

f

Ï

+

M

2

Ï

M

2

Ï

M

2

Ï

−

t

−

iM

Ï

Γ

Ï

(

t

)

−

(

β

−

2

)

Γ

0

2

Ï

M

2

Ï

0

M

2

Ï

0

−

t

−

iM

Ï

0

Γ

Ï

0

(

t

)

f

Ï

+

=

−

√

2

f

Ï

g

Ïηπ

is defined as

Ï€

+

(

p

)

η

0

(

k

)

|

Ï

+

=

g

Ïηπ

(

p

−

k

)

ν

ν

Now

|

η

i

=

−

sin

|

Ï€

3

i

+

cos

|

Ï€

8

i

|

Ï€

0

i

=

cos

|

Ï€

3

i

+

sin

|

Ï€

8

i

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

17 / 25

background image

Thus

Ï€

+

(

p

)

η

0

(

k

)

|

Ï

+

=

−

sin

Ï€

+

(

p

)

Ï€

0

(

k

)

|

Ï

+

giving

g

Ïηπ

'

g

Ïππ

where

g

Ïππ

appears in the pion form factor. Thus

f

+

(

t

) =

F

Ï€

(

t

)

=

g

Ïππ

f

Ï

M

2

Ï

"

M

2

Ï

M

2

Ï

−

t

−

iM

Ï

Γ

Ï

(

t

)

−

(

β

−

2

)

Γ

0

2

Ï

M

2

Ï

0

M

2

Ï

0

−

t

−

iM

Ï

0

Γ

Ï

0

(

t

)

#

where

g

Ïππ

f

Ï

M

2

Ï

'

1

.

17

,

≈

10

−

2

q

(

t

) =

1

2

√

t

q

t

−

(

M

η

−

M

Ï€

)

2

q

t

−

(

M

η

+

M

Ï€

)

2

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

18 / 25

background image

Scalar Form Factor

f

0

(

t

)

Dominated by states with quantum number

J

PC

(

I

G

) =

0

++

(

1

+

)

.

Restricting to the two resonances

a

0

(980 MeV) and

a

0

0

(1450 MeV),

call them

a

0

and

a

1

.

f

0

(

t

) =

g

0

M

2

0

−

t

−

iM

0

Γ

0

(

t

)

+

g

1

M

2

1

−

t

−

iM

1

Γ

1

(

t

)

Γ

n

(

t

) =

M

2

n

t

q

(

t

)

q

(

M

2

n

)

Γ

n

and

g

0

=

F

a

0

g

a

0

ηπ

;

g

1

=

F

a

0

0

g

a

0

0

ηπ

where

F

a

0

is defined by

a

0

(

q

)


V

µ

1

+

i

2


0

=

√

2

F

a

0

q

µ

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

19 / 25

background image

Using the constant unit

f

0

M

2

η

=

retaining only

a

0

f

0

(

t

) =

f

0

M

2

η

M

2

0

−

M

2

η

−

iM

0

Γ

0

M

2

η

M

2

0

−

t

−

iM

0

Γ

0

(

t

)

Retaining

a

0

and

a

0

0

,

f

0

(

t

) =

f

0

M

2

η

M

2

1

−

M

2

η

−

iM

1

Γ

1

M

2

η

M

2

1

−

t

−

iM

1

Γ

1

(

t

)

+

g

0

M

2

0

−

M

2

η

−

iM

0

Γ

0

M

2

η

×





t

−

M

2

η

−

iM

0

(

Γ

0

(

M

2

η

)

−

Γ

0

(

t

)

)

M

2

0

−

t

−

iM

0

Γ

0

(

t

)

−

t

−

M

2

η

−

iM

1

(

Γ

1

(

M

2

η

)

−

Γ

1

(

t

)

)

M

2

1

−

t

−

iM

1

Γ

1

(

t

)





Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

20 / 25

background image

Fix

g

0

=

F

a

0

g

a

0

ηπ

from exprimental width of

a

0

and take

[

from QCD Sum Rules

]

F

a

0

=

1

.

28

MeV

=

128

MeV

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

21 / 25

background image

Decay rate corresponding to

a

0

verses

q

2

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

22 / 25

background image

Decay rate corresponding to

f

0

with two

resonances verses

q

2

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

23 / 25

background image

Decay rate corresponding to

f

1

with two

resonances verses

q

2

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

24 / 25

background image

Total Decay Rate verses

q

2

:

Branching Ratio

=

5

.

45

×

10

−

6

Riazuddin (CAMP NUST and NCP)

2nd National Winter Meeting on Particles & fields

December 29-31, 2009

25 / 25