QCD-Effektive Theorie Vortrag im Rahmen des Seminars “Hadronenspektroskopie und Erzeugung von Resonanzen“, WS 2005/06 Denis Besak Lehrstuhl für Theoretische Physik III Universität Dortmund Inhaltsübersicht 1. Allgemeiner Vorspann 2. Effektive Theorie für das Beispiel c → sud¯ 3. Zerfälle von D-Mesonen 2 Abschnitt 1: Allgemeiner Vorspann 1.1 Motivation 1.2 Einige Begriffe der elektroschwachen Theorie 1.3 Das Konzept der Renormierung 3 1.1 Motivation Ziel: Schwache Zerfälle von Hadronen beschreiben Problem: Hadronen nicht elementar, sondern gebundene Zustände! → Starke WW berücksichtigen → Effektive Feldtheorie gesucht Wie soll man Amplitude berechnen? nicht rein perturbativ, da Bindungsenergie klein → Kopplung stark wegen asymptotischer Freiheit! Theoretisches Hilfsmittel: Operatorproduktentwicklung (OPE) 4 Effektive Theorie Ansatz: Hef f ∝ P i Ci (µ, MW ) Qi , µ = O(1GeV) Qi: Lokale, hadronische Operatoren = effektive Vertizes Ci: Wilson-Koeffizienten = effektive Kopplung Ansatz erzielt Faktorisierung in perturbative short-distance und nichtperturbative long-distance Beiträge W ± “herausintegriert“, d.h. kein dynamischer Freiheitsgrad mehr! → Keine Prozesse mit externen W-Bosonen Übergangsamplitude ergibt sich aus M ∝ P i Ci (µ, MW ) hQi i ⇒ Matrixelemente von Qi müssen berechnet werden! → Schwierig, da nichtperturbativ! 5 Berechnung der Ci 2 MW αs ln 2 Im Prinzip perturbativ, aber Kopplungsparameter ist 4π µ → Kann groß sein, wenn µ MW ! Verschiedene Ordnungen: 2 MW µ2 n αs ln → O (1) → Problem!! 4π n 2 M αs αs NLO: Summiere Beiträge der Form ln 2W → O (αs ) usw. 4π 4π µ LO: Summiere Beiträge der Form NLO wichtig, z.B. wegen Überprüfung der Störungsentwicklung und Abhängigkeit der Ci vom Renormierungsschema 6 1.2 Einige Begriffe der elektroschwachen Theorie Standardmodell: 3 Generationen von Leptonen + Quarks SSB Eichgruppe: SU (3)C × SU (2)L × U (1)Y −−→ SU (3)C × U (1)EM ντ νµ νe SU (2)L − Dublett , , Leptonen: − − − τ µ e L L L − − − eR , µR , τR SU (2)L − Singlett; kein νR u c t Quarks: , , ; uR , dR , . . . d0 L s0 L b0 L Beachte: Flavour-Eigenzustände qi0 6= Massen-Eigenzustände qi! d0 Vud Vus Vub d → Quarkmischung: q 0 = VCKM q ⇔ s0 = Vcd Vcs Vcb s b0 Vtd Vts Vtb b VCKM parametrisiert durch 3 Drehwinkel + 1 komplexe Phase 7 Elektroschwache Wechselwirkung Elektroschwache Wechselwirkung durch gw gw + µ,+ − µ,− + Jµ W Jµ0 Z µ L = √ Jµ W + eJµEM Aµ + 2 {zcos ϑw } |2 2 {z } | LCC LN C LCC : geladene Ströme, ändern Flavour → hier betrachtet! LN C : neutrale Ströme, lassen Flavour unverändert Es ist Jµ+ = (ūd0 )V −A + (c̄s0 )V −A + (t̄b0 )V −A + Leptonen; Dabei bedeutet (ūd0 )V −A := ūγ µ (1 − γ5 ) d0 usw. Man führt schließlich die Fermi-Konstante durch † Jµ− = Jµ+ . 2 GF gw √ = 2 8MW 2 ein; numerischer Wert: GF ≈ 1.166 · 10−5 GeV−2 8 1.3 Konzept der Renormierung Wir wollen kurz erläutern, was Renormierung beinhaltet. 1 µν Betrachte QED L = − 4 Fµν F + ψ̄ i∂ − e0 A − m0 ψ . Frage: Was sind e0 , m0 ? Antwort: Nicht die physikalische Ladung bzw. Masse, da e± nicht von e± mit virtuellen γ bzw. virtuellen e+ e− -Paaren unterscheidbar! Man kann experimentell z.B. nicht unterscheiden zwischen folgenden Prozessen: Man muss alle Ordnungen der Störungstheorie berücksichtigen! m = m0 + δm ⇒ Parameter werden renormiert: e = e0 + δe Beachte: Korrekturen formal divergent → Regularisierung 9 Massenrenormierung Dies demonstrieren wir für die Masse: Für exakten Elektron-Propagator gilt 1P I = Ein-Teilchen-irreduzibel: Kann nicht durch Durchtrennen einer internen Linie in zwei disjunkte Diagramme gespalten werden Wir bezeichnen die irreduzible Greenfunktion mit −iΣ(p) (Σ(p): Selbstenergiefunktion) und summieren auf (geometrische Reihe!): 2 i i i Σ (p) Σ p) ( SF (p) = + + + ... p − m p − m p − m p − m p − m 0 0 0 0 0 i = p − m0 − Σ (p) Physikalische Masse: Pol des Propagators, d.h. (p − m0 − Σ (p))| p=m = 0 10 2 0 p)| p − m) + O mit Nun Taylorentwicklung: Σ (p) = Σ + p − m) Σ ( ( (m) ( p=m m = m0 + Σ(p = m). Dies liefert SF (p) = iZ2 p − m Dabei ist 1 = 1 + Σ0 (p) . p=m Z2 Analog bekommt man (unendliche!) Konstante Z1 für Vertex und Z3 für PhotonPropgator-diese sollen in Feldoperatoren absorbiert werden! Vorgehen: Multiplikative Renormierung ψ → √ Z2 ψR , Aµ → √ Z3 AµR Spalte L in zwei Teile: L=− 2 1 1 µν 2 FRµν + ψ̄R i∂ + ψ̄R iδ2 ∂ − δm − eδ1 AR ψR − m − eA ψR − δ3 FR 4 | 4 {z } counterterms 11 Renormierungsbedingungen Die counterterms enthalten die Korrekturen δ1,2,3 := Z1,2,3 − 1; δm := Z2 m0 − m. Diese werden aus Renormierungsbedingungen berechnet, mit denen physikalische Parameter festgelegt werden. Für die Selbstenergiefunktion liegt es nahe, die on-shell-Renormierung Σ (p)| p=m = 0 0 Σ (p) =0 p=m zu benutzen. 3α Λ2 Man erhält daraus z.B. in 2.Ordnung δm = m0 ln 2 + f inite. 4π m0 Man kann das aber auch allgemeiner fassen und erhält endgültig: Σ (p)| p2 =−µ2 = 0 0 2 Σ (p) =0 2 p =−µ 12 Analog für QCD: 1 1 a a ∗ µ a − L = − F µν,a Fµν (∂µ Aµ,a )2 + q̄ (i∂ − m0 ) q + (η ) ∂ ∂µ η + 4 2ξ0 g0 abc a µ,b ν,c g02 abe cde a b µ,c ν,d a a abc µ a ∗ b c g0 q̄i (t )ij Aµ qj + g0 f (∂ (η ) ) η Aµ − f Fµν A A − f f Aµ Aν A A 2 4 Dabei sind Aaµ die Gluonfelder, q = (qi) die Quarkfelder, η a die Faddeev-Popovghosts und ta die Generatoren der SU(3); ξ0 ist der Eichparameter. Renormierung: Aaµ = p Z3 Aaµ,R , q= p a Zq qR , η = p a Z̃3 ηR g0 = Zg g, ξ0 = Z3 ξ, m0 = Zm m Frage: Was ist die Skala µ aus Renormierungsbedingung? 13 Renormierungsgruppe Antwort: Im Prinzip ist das egal! Sei G(n) (p1 , . . . pn; µ, g, Qm ) = hΦ(p1 ) . . . Φ(pn)Qm i mit Massenoperator Qm = m/2 Φ2 eine beliebige, bei der Skala µ renormierte Greenfunktion. Die Änderung mit der Skala ist dann gegeben durch Callan-Symanzik-Gleichung ∂ ∂ µ + β(g) + nγ(g) + γm (g) G(n) = 0. ∂µ ∂g Die Funktionen β, γm erfüllen Renormierungsgruppengleichung d g(µ) d ln µ = β (g(µ)) d m(µ) = −γm (g)m(µ) d ln µ → laufende Kopplungskonstante bzw. Quarkmasse → Laufende Kopplungskonstante wird Problem der großen Logarithmen lösen! Man nennt die Funktionen γ anomale Dimension → Skalenverhalten 14 Berechnung von β, γm Wird auf counterterms zurückgeführt, indem man renormierte Greenfunktion in bestimmter Ordnung berechnet und fordert, dass Callan-Symanzik-Gl. erfüllt ist. Ergebnis für QCD: g5 g3 − β1 β(g) = −β0 + ... 2 )2 16π 2 (16π 2 g2 g γm (g) = γm,0 + ... + γ m,1 16π 2 16π 2 Die Koeffizienten βi, γm,i sind Funktionen der Zahl der betrachteten Flavours und 11 der Anzahl der Farben. Für später brauchen wir β0 = Nc − 2. 3 g2 Für die laufende Kopplungskonstante αs = erhält man aus RG-Gleichung 4π αs (Q) = ⇒ Asymptotische Freiheit! αs (µ) s (µ) 1 + β0 α4π ln Q µ2 2 15 Abschnitt 2: Effektive Theorie für das Beispiel c → sud¯ 2.1 Herleitung + Diskussion von Hef f 2.2 Berechnung der Wilson-Koeffizienten 2.3 Zusammenfassung 2.4 Ausblick: Pinguine&Co. 16 2.1 Herleitung + Diskussion von Hef f ¯ was z.B. Wir betrachten nun Hef f für schwachen Zerfall c → sud, D0 → K − π + entspräche. Gesucht: Effektive Theorie, in der W-Boson kein dynamischer Freiheitsgrad mehr ist! Wir demonstrieren das Verfahren anhand der Schwachen WW und beziehen die QCD-Korrekturen am Schluss mit ein. 2 MW GF ∗ Nach Feynmanregeln ist M = i √ Vcs Vud 2 (s̄c)V −A (ūd)V −A 2 k − MW 2 2 ! W ± sehr schwer (ca.80 GeV), daher betrachte k2 MW Entwicklung am Besten mit Pfadintegralformalismus zu bewerkstelligen. Zentrale Größe ist erzeugendes Funktional Z, aus dem die Greenfunktionen durch Funktionalableitung gewonnen werden. 17 Hier: Z ZW ∝ Z DW + DW − exp i d4 x LW gw µ,− µ,+ − + + Jµ W mit LW = LW,kin + √ Jµ W 2 2 Nun führe Integration durch, d.h. W ± werden “herausintegriert“. 2 R R 4 gw ⇒ ZW ∝ exp −iSef f mit Sef f = d xLkin − d4 xd4 yJµ− (x) ∆µν (x − y) Jν+ (y) 8 µkν 1 k Dabei ist ∆µν (x − y) die Fouriertrafo von ∆µν (k) = − 2 g µν − . Die 2 2 k − MW MW Faltung mit ∆µν (x − y) bewirkt, dass nur Beiträge mit kleinem |x − y| eine Rolle spielen! 2 → short-distance OPE Jetzt entwickle Sef f nach Potenzen von 1/MW µν 1 g Niedrigste Ordnung: ∆µν (x − y) = 2 δ (x − y) + O 4 MW MW 18 ⇒ GF Lint,ef f = − √ Jµ− (x) J µ,+ (x) + . . . 2 Dies ist gerade die Fermi-Theorie der schwachen WW, in der man eine Punkt-WW vorliegen hat! Das Produkt zweier Operatoren wurde in eine Summe von Operatoren entwickelt; höhere Ordnungen wegen der großen Masse MW immer stärker unterdrückt! Für D0 → K − π + bekommt man also GF Hef f,w = √ Vcs∗ Vud Q2 + . . . 2 mit dem Operator (i, j: Farbindizes) Q2 = (s̄ici)V −A (ūj dj )V −A . Nun müssen wir die QCD-Korrekturen miteinbeziehen! 19 Einbeziehung der QCD Wir erhalten nun zusätzliche Diagramme mit Gluonaustausch: Hadronische Bindung erfordert zudem Einführung der Wilson-Koeffizienten: GF Hef f = √ Vcs∗ Vud (C1 Q1 + C2 Q2 ) 2 mit den Operatoren Q1 = (s̄icj )V −A (ūj di)V −A Q2 = (s̄ici)V −A (ūj dj )V −A . Q1 enthält eine Mischung der Farben durch das Gluon. Ohne QCD erhielte man offenbar C1 = 0, C2 = 1! 20 Renormierung der Qi Beachte, dass Qi multiplikativ renormiert werden müssen! ABER: counterterm zu Q1 hat Anteil proportional zu Q2 und umgekehrt! ⇒ Operatoren mischen unter Renormierung! Qi = Zij Qj,R mit 2x2 − Matrix Zij Die Qi müssen abgeschlossen unter Renormierung sein → bestimmt Anzahl! Hier nur zwei nötig, aber i.a. gibt es viel mehr! (siehe 2.4) Für unser Beispiel bekommt man (Λ: cutoff) Λ2 3αs 1 −Nc . ln 2 Z =1+ −Nc 1 4Nc π µ 21 2.2 Berechnung der Wilson-Koeffizienten Um Amplitude zu bestimmen, muss man Matrixelement von Hef f berechnen: GF ¯ M c → sud = −i √ Vcs∗ Vud (C1 hQ1 i + C2 hQ2 i) 2 Somit zwei Aufgaben zu lösen: • Berechne Wilson-Koeffizienten Ci • Ermittle für gegebenen Prozess hadronische Matrixelemente Wir gehen hier nur auf den ersten Punkt im Detail ein. 22 Perturbative Berechnung der Wilson-Koeffizienten Man führt “matching“ durch, berechnet also Amplitude und Matrixelemente perturbativ in gewünschter Ordnung und vergleicht mit Ansatz aus effektiver Theorie. Berechne zunächst M aus Diagrammen von Folie 20 mit masselosen externen Quarks → Entspricht unphysikalischer Amplitude, da Quarks als freie Teilchen behandelt! Nun berechne hQii in derselben Ordnung perturbativ, indem W-Boson-Propagator durch Spinoramplituden ersetzt wird! Schließlich wird in GF M c → sud¯ = −i √ Vcs∗ Vud (C1 hQ1 i + C2 hQ2 i) 2 eingesetzt und Koeffizienten verglichen. 23 ⇒ 2 3αs MW C1 = − ln 2 + O(α2s ) 4π µ 2 MW 3αs C2 = 1 + ln 2 + O(α2s ) 4Nc π µ → Unabhängig von externen Teilchen! → Faktorisierung Beachte: Mit αs (1GeV) ≈ 0.04, MW ≈ 80GeV erhält man als Kopplungsparame4π 2 MW αs ter ln 2 ≈ 0.35 4π µ → Sehr groß; höhere Ordnungen müssten aufsummiert werden! 24 Summation der großen Logarithmen Lösung mit Renormierungsgruppe: Wilson-Koeffizienten erfüllen die RG-Gleichung d Ci (µ) = γij (αs ) Cj (µ) d ln µ d Z. d ln µ γ ist nichtdiagonal → Gehe zu einer Basis über, in der γ diagonal ist! mit anomaler Dimension γ(αs ) = Z −1 Gesuchte Basis: Q± = 1 (Q1 ± Q2 ) 2 Wilson-Koeffizienten: C± = C1 ± C2 = 1 + Anomale Dimension: γ± = αs (0) γ± 1, 4π 3 ∓3 Nc (0) γ± = ±6 2 MW αs ln 2 4π µ Nc ∓ 1 Nc 25 Lösung der RG-Gleichung ⇒ Lösung der RG-Gleichung liefert γ (0)/2β0 αs (µW ) ± C± (µW ) , C± (µ) = αs (µ) β0 = 11 Nc − 2. 3 2 MW Wähle Skala µW so, dass ln 2 klein → am einfachsten ist µW = MW . µW Da C± (µW ) = 1, folgt nach Einsetzen von αs (µ) (Folie 15): C± (µ) = γ±(0)/2β0 1 2 αs (µ) MW 1 + β0 ln 2 4π µ (1 + O (αs )) . → Führende Logarithmen alle aufsummiert: Ausdruck enthält 2 MW ln 2 µ n in jeder Ordnung; Problem gelöst! Um O(αs )-Unsicherheit zu verringern berechne anomale Dimension und C± (µW ) in höherer Ordnung → Unsicherheit O(α2s ) usw. 26 2.3 Zusammenfassung des Vorgehens Kurz zusammengefasst berechnet man Prozesse in effektiver Theorie wie folgt: 1. Berechne Wilson-Koeffizienten perturbativ bei Skala µW ≈ MW in gewünschter Ordnung durch matching. 2. Löse RG-Gleichung für Ci(µ), berechne damit Ci bei gewünschter Skala. 3. Berechne hadronische Matrixelemente mit speziellen Methoden. (hier nicht behandelt) 27 2.4 Ausblick: Pinguine & Co Das Beispiel c → sud¯ war bewusst einfach gewählt; i.a. gibt es viel mehr Qi! Betrachte z.B. (s̄u)V −A (ūd)V −A, das bei Zerfall K 0 → π + π − auftritt. Hier gibt es zusätzliche Diagramme, die Pinguin-Diagramme: Gluon zeigt keine chirale Kopplung → Vektorstrom → Zerlege in (V + A)- und (V − A)-Anteil! 28 ⇒ Vier neue Operatoren: Q3 = (s̄idi)V −A X Q4 = (s̄idj )V −A X Q5 = (s̄idi)V −A X Q6 = (s̄idj )V −A X q (q̄j qj )V −A q (q̄j qi)V −A q (q̄j qj )V +A q (q̄j qi)V +A Tragen nicht zu c → sud¯ bei, da Gluonkopplung Flavour erhält! Operatoren Q1 , . . . , Q6 abgeschlossen unter Renormierung → Qi = Zij Qj,R mit 6x6-Matrix Zij . Weitere Operatoren durch Ersetzen des Gluons durch Photon oder Z 0 -Boson → elektroschwache Pinguin-Diagramme: 29 ⇒ Vier weitere Operatoren: X 3 Q7 = (s̄idi)V −A eq (q̄j qj )V +A q 2 X 3 Q8 = (s̄idj )V −A eq (q̄j qi)V +A q 2 X 3 Q9 = (s̄idi)V −A eq (q̄j qj )V −A q 2 X 3 Q10 = (s̄idj )V −A eq (q̄j qi)V −A q 2 Unter gleichzeitiger Renormierung von QED und QCD sind Q1 , . . . , Q10 abgeschlossen. → Zij ist 10x10-Matrix! Beachte: Nicht alle unabhängig voneinander ! Es gilt Q4 = Q2 + Q3 − Q1 ; 2Q9 = 3Q1 − Q3 ; 2Q10 = Q1 + 2Q2 − Q3 Weitere Diagramme, indem man q, q̄ durch Leptonen l, l̄ ersetzt → sechs weitere Qi! 30 Weiterhin gibt es zwei Box-Diagramme → Tragen zur K 0 − K̄ 0 bzw. B 0 − B̄ 0 -Mischung bei Ferner gibt es noch zwei magnetische Pinguin-Diagramme, die in speziellen Zusammenhängen (B-Mesonen) auftreten und im Quark-Loop nur das top-Quark enthalten ⇒ Insgesamt existieren 20 hadronische Operatoren, die aber nicht alle zugleich zu einem Prozess beitragen! 31 Abschnitt 3: Zerfälle von D-Mesonen Wir wollen Zerfälle von D0 − und D+ -Mesonen diskutieren, insbesondere: 32 GF 1 Effektive Theorie durch Hef f = √ Vcs∗ Vud (C+ Q+ + C− Q− ) mit Q± = (Q1 ± Q2 ) 2 2 (siehe Folie 25). Numerische Werte: C1 (mc ) = 1.32, ⇒ C+ (mc ) = 0.76, C2 (mc ) = −0.58 C− (mc ) = 1.90 Quarks als masselos angenommen; ū bzw. d¯ nimmt nicht an WW teil! (spectator quark) Matrixelemente am einfachsten (und unsichersten!) mit Faktorisierung behandelt: hπK| (s̄ici)V −A (ūj dj )V −A |Di = hK| (s̄ici)V −A |Di hπ| ūj γ µ (1 − γ5 ) dj |0i | {z } =fπ pµ Die Zerfallskonstante fπ kann als bekannt vorausgesetzt werden. Für das erste Matrixelement rechts setzt man z.B. an: hK| (s̄ici)V −A |Di = f− pµD − pµK + f+ pµD + pµK f± sind zu bestimmende Formfaktoren Wir zeigen nun anhand dreier “Anomalien“, dass das spectator Modell unzureichend ist! 33 “Anomalien“ bei D-Zerfällen 1. Wenn spectator quark unwichtig, dann sollten Lebensdauern gleich sein! ABER: τ D0 = 4.11 · 10−13 s, τ D+ = 1.05 · 10−12 s → Unterschied um Faktor 2.5! → Lebensdauer von D+ erhöht! 2C+ − C− 2. Vorhersage: Amplitude von D0 in K̄ 0 π 0 um Faktor ≈ 0.127 unterdrückt und 3 2C+ + C− ≈ 1.140 erhöht Amplitude von D0 in K − π + um Faktor 3 → Liefert Unterschied um Faktor 80 in Zerfallsbreiten! ABER: Man misst branching ratios D0 → K −π+ : D0 → K̄ 0 π 0 : (3.80 ± 0.09) % (2.20 ± 0.22) % 34 “Anomalien“ bei D-Zerfällen 3. Verhältnis von Zerfallsbreite hadronischer und semileptonischer (Palmer/Stech 1993) 7αs ΓH z2 1 2 2 1 + 25αs + 2 z2 r + O 1− = 2C+ − r + C− ΓSL 12π z0 6π z0 m3c a ta c |Di 1 hD| c̄iγ µ γ ν Fµν mit kinematischen Faktoren z0 , z2 und r = 2 . mc hD| c̄c |Di ΓH 1 = 8.7 + O Mit αs (mc ) ≈ 0.36, r ≈ 0.36 bekommt man als Vorhersage ΓSL m3c aber experimentell ΓH = 11 ± 1.7 für D0 - Mesonen ΓSL ΓH ≈ 3.2 für D + - Mesonen ΓSL 35 Erklärung für anomales Verhalten Punkte 1 und 3 können mit Pauli-Prinzip erklärt werden: Die Amplituden beim ¯ D+ -Zerfall interferieren destruktiv auf Grund der zwei identischen d-Quarks → Hadronische Amplitude und damit Zerfallsbreite von D+ gg. semileptonischer verringert und damit gleichzeitig Lebensdauer erhöht! Effekt normalerweise vernachlässigbar, nur zufällig durch spezielle kinematische Verhältnisse effektiv Punkt 2 noch nicht definitiv geklärt; könnte mit Resonanzeffekten im Endzustand zusammenhängen oder mit zusätzlichem Austausch weicher Gluonen oder Annihilation von Quark und Antiquark in W-Boson, unter Beteiligung des spectator quarks. Fazit: Nicht immer führt dieses “einfache“ Modell wirklich zum Erfolg! Die Physik der D-Mesonen bleibt ein schwieriges Gebiet mit vielen möglichen Überraschungen. Die Physik der B-Mesonen hingegen ist viel genauer durch das spectator Modell beschrieben und wird in den beiden folgenden Vorträgen genauer beleuchtet. 36 Literaturverzeichnis • G.Buchalla, A.J.Buras, M.E.Lautenbacher, Weak Decays Beyond Leading Logarithms Rev.Mod.Phys. 68 (1996), pp.1125-1244 • T.Cheng, L.Li, Gauge theory of elementary particle physics Oxford University Press, 1984 • L.B.Okun, Leptons and Quarks North-Holland Publishing Company, 1982 • W.F.Palmer, B.Stech, Inclusive nonleptonic decays of B and D mesons Phys.Rev. D48, pp.4174-4182 (1993) • M.E.Peskin, D.V.Schroeder, Introduction to Quantum Field Theory Perseus Books, 1995 • R.Rückl, Weak Decays of Heavy Mesons Talk at XXII. International Conference on High Energy Physics, Leipzig 1984 37