Calculating Branching Ratio of W


Download 131.81 Kb.
Pdf ko'rish
Sana10.12.2020
Hajmi131.81 Kb.
#163373
Bog'liq
Yuldashev Jasur Oraliq


Calculating Branching Ratio of W

boson decay



Yuldashev Jasurbek

December 5, 2020

Deriving decay width for two body decay

Particle differencial decay width for the particle with arbitrary spin:

dΓ =

1

2J



a

+ 1


1

2E

a



|M |

2



(1)

where J


a

is the spin of decaying particle and dΦ is phase space:

dΦ = (2π)

4

δ



4

(p

f



− p

i

)



n

Y

l=1



d

3

p



i

(2π)


3

2E

l



(2)

For the two body decay, we need to calculate two-body phase space.

Γ =

1

2J



a

+ 1


4

2E



a

|M |


2

Z

δ(E



i

− E


1

− E


2

3



(~

p

i



− ~

p

1



− ~

p

2



)

d

3



p

1

(2π)



3

2E

1



d

3

p



2

(2π)


3

2E

2



(3)

Because the integral is Lorentz invariant (i.e. frame independent) it can be evaluated in

any frame we choose. The C.o.M. frame is most convenient. In the C.o.M frame E

i

= E



a

and


p

i

= 0



Γ =

1

2J



a

+ 1


1

2



E

a

|M |



2

Z

δ(E



a

− E


1

− E


2

3



(~

p

1



+ ~

p

2



)

d

3



p

1

2E



1

d

3



p

2

2E



2

(4)


Integrating over ~

p

2



using the δ - function gives following result

Z

δ



3

(~

p



1

+ ~


p

2

)dp



3

1

= 1 ⇒



Γ =

1

2J



a

+ 1


1

2



E

a

|M |



2

Z

δ(E



a

− E


1

− E


2

)

d



3

p

1



4E

1

E



2

(5)


Writing d

3

p



1

= p


2

1

dp



1

sin(θ)dθdφ = p

2

1

dp



1

dΩ and observing that E

2

2

= p



2

1

+ m



2

2

because



p

2

= −p



1

, the last equation can be expressed as

Γ =

1

2J



a

+ 1


1

32π


2

E

a



|M |

2

Z



δ(E

a



q

p

2



1

+ m


2

2



q

p

2



1

+ m


2

1

)



p

2

1



dp

1

dΩ



E

1

E



2

(6)


1

By using following denotations:

g(p


1

) =


p

2

1



E

1

E



2

f (p


1

) = E


a

q



p

2

1



+ m

2

2



q

p



2

1

+ m



2

1

we rewrite Eq.6 as follows



Γ =

1

2J



a

+ 1


1

32π


2

E

a



|M |

2

Z



g(p

1

)δ(f (p



1

))dp


1

dΩ

(7)



where f (p

1

) imposes energy conservation and g(p



1

) = 0 determines the C.o.M momenta of the two

decay products.

We need an expression for the delta function of a function δ(f (x))

Z

x

2



x

1

δ(f (x))



df

dx

dx =



df

dx

x



0

Z

x



2

x

1



δ(f (x))dx =

(

1 if x



1

< x

0

< x

2

0

otherwise



(8)

By rearranging and expressing the RHS of the Eq.7 as a delta function one gets following

expression:

Z

x



2

x

1



δ(f (x))dx =

1

|df /dx|



x

0

Z



x

2

x



1

δ(x − x


0

)dx


δ(f (x)) =

df

dx

−1



x

0

δ(x − x



0

)

(9)



Using Eq.9 g(p

1

) and δ(f (p



1

)) can be integrated

Z

g(p


1

)δ(f (p


1

))dp


1

=

1



|df /dp

1

|



p

Z



g(p

1

)δ(p



1

− p


)dp


1

=

g(p



1

)



|df /dp

1

|



p

df



dp

1

= −



p

1

pp



2

1

+ m



2

1



p

1

pp



2

1

+ m



2

2

= −



p

1

E



1

p



1

E

2



= −p

1

E



1

+ E


2

E

1



E

2

(10)



Finally we take following expression

Γ =


1

2J

a



+ 1

1

32π



2

E

a



|M |

2

Z



E

1

E



2

p



(E

1

+ E



2

)

p



∗2

E

1



E

2

dΩ



Γ =

1

2J



a

+ 1


1

8πE


a

|M |


2

p



(E

1

+ E



2

)

(11)



From energy conservation E

1

+ E



2

= E


a

= m


a

and f (p


) = 0


m

a

=



q

p

∗2



+ m

2

2



q

p



∗2

+ m


2

1

p



=

1



2m

a

p



[m

2

a



− (m

1

+ m



2

)

2



][m

2

a



− (m

1

− m



2

)

2



]

2


Partial and Total width of W boson

For the W boson decay masses of the final states (m

1

and m


2

) can be neglacted campared to W

boson mass (m

a

) and taking into account J



a

for W bosons Eq.11 can be written as follows

Γ =

1

2J



a

+ 1


1

64π


2

m

a



|M |

2

Z



dΩ =

1

48πm



a

|M |


2

(12)


|M |

2

=



1

g

2



 

− g


αβ

+

k



α

k

β



m

2

W



!

1

4



T r ˆ

p

e



γ

α

ˆ



p

ν

γ



β

(1 + γ


5

)

2



=

1

2



g

2

4(p



e

p

ν



) = g

2

m



2

W

(13)



By using

g

2



2m

2

W



=

4G



2

, one can write decay width as follows

Γ(W



→ l



ν

l



) =

g

2



m

W

48π



=

Gm

3



W

6



(14)


There are 3 poossible lepton channels e

ν



e

, µν


µ

, τ ν


τ

but only 2 quark channels u ¯

d

0

, c ¯



s

0

.The



quark channels also involve the color quantum number N

C

= 3 and the mixing factor d



0

i

= V



ij

d

j



relating weak and mass eigenstates.

Γ(W


→ ¯


u

i

d



j

) = N


C

|V

ij



|

2

Gm



3

W

6



= N



C

2

Gm



3

W

6



(15)



Here the unitarity of the CKM matrix is used that is |V

ud

|



2

+|V


us

|

2



+|V

ub

|



2

= |V


cd

|

2



+|V

cs

|



2

+|V


cb

|

2



= 1

Branching ratio is ratio between the partial and the total width

. The total width for W

decay:


Γ

W

= 3Γ(W



→ l


ν

l



) + Γ(W

→ ¯



u

i

d



j

)

From the last two equations



Br(W

→ l



ν

l



) =

Γ(W


→ l


ν

l



)

Γ

W



=

Gm

3



W

6



3

Gm



3

W

6



+ N



C

2

Gm



3

W

6



=



1

3 + 2N


C

=

1



9

= 0.111


(16)

3

Download 131.81 Kb.

Do'stlaringiz bilan baham:




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling