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τ轻子物理是国际高能物理研究的一个前沿课题和热点。研究τ轻子衰变对精确检验标准模型,探索超出标准模型的新物理具有重要意义。轻子昧破缺是τ轻子物理的研究内容之一。在标准模型中,轻子味破缺过程是禁戒的,但实验上观测到的中微子震荡实验暗示荷电轻子存在轻子味破缺,这是标准模型无法解释的。新物理中新的轻子味破缺源或者新粒子的贡献等会提高轻子味破缺衰变的分支比,有望为轻子味破缺机制提供可能的解释。
τ轻子衰变中的轻子味破缺过程主要包括τ轻子辐射衰变、τ→3l以及τ→lP(V,PP)衰变。实验上,Belle等实验组对这些过程进行了找寻,其中τ轻子辐射衰变、τ→3l以及τ→lP(V)衰变的实验上限已经达到O10-8~10-7,而τ→lPP衰变,由于部分衰变过程的分支比的数据实验尚未有更新,实验上限在10-8~10-5量级。
理论上,人们已在不同的新物理模型中对上述衰变进行了研究。涉及到的模型主要有SUSY模型、含T宇称的最小Higgs模型(LHT)、Type-Ⅲseesaw模型、R宇称破缺超对称模型(RPVSUSY)、Left-Right对称模型、双Higgs二重态模型Ⅲ(2HDMⅢ)及味改变Z′模型等,另外还有与模型无关的研究。研究结果表明,这些衰变的分支比可达到O(10-8)~O(10-6)。
本文分别在R-宇称破缺超对称模型与双黑格斯二重态模型Ⅲ下,研究了τ-→μ-K+K-(K0K0)衰变。对于末态复杂的强子效应,我们利用B介子衰变中的处理方法来处理。衰变强子矩阵元包括共振和非共振两部分贡献。非共振部分有方式Ⅰ和方式Ⅱ两种方式,方式Ⅱ区别于方式Ⅰ采用了指数形式。在R-宇称破缺超对称模型中,这些衰变可以通过sneutrino传播子在树图发生。结果表明:τ-→μ-K+K-(K0K0)衰变分支比与(?)22λi32参数的相角无关,随耦合参数|(?)22λi32|的增大而增大;当共振部分的耦合强度参数gf0-KK取同一值时,方式Ⅰ计算得到的衰变分支比比方式Ⅱ的分支比数值要大;当gf0→KK取不同值时,衰变分支比随g值的增大而增大;采用方式Ⅱ,且gf0→KK取4.3GeV时,τ-→μ-K(?)两衰变分支比最新实验上限将耦合参数(?)22λi32|限制为<7.6×10-4;将方式Ⅱ指数上的参数σNR取值限制为eiπ4(3.36(?)(?))GeV。在现有的参数范围内,这些衰变的树图贡献可以使分支比达到目前的实验限。
在双黑格斯二重态模型Ⅲ中这些衰变可以通过中性Higgs传播子H0,h0,A0在树图水平发生,利用相同的处理方法,结果表明:相角θ取π/4时耦合参数|λτμ|的限制最严格,衰变分支比随耦合参数|λτμ|的增大而增大;实验上限则将两衰变的参数|λτμ|限制为<1.646。其它结果与R-宇称破缺超对称模型下的类似。
随着B工厂亮度的进一步提高及LHC的运行,将会积累更多的ττ衰变实验数据,为轻子味破缺过程的研究提供实验平台,也有助于新物理模型的理论预言的实验检验。