Va tutto bene con il Modello Standard? Lezione 17 richiami sullangolo di Cabibbo, il meccanismo GIM. La matrice CKM la scoperta dei flavors c,b,t,,, la scoperta dei flavors c,b,t,,, La QCD: due parole introduttive Va tutto bene con il Modello Standard? Riferimenti: Kane, Perkins,web

E proprio universale linteraziome debole?

3 Lepton universality n Do all leptons and quarks carry the same unit of weak charge? –Yes, for leptons and no for quarks First, let s consider a muon decay –low energy process ( q 2 ~ m << m W ) –specified by the Fermi constant G F (~ g 2 /m W 2 ) –dimensional analysis from full calculation (V A)

4 Lepton universality (2) Now consider the tau ( ) lepton decay

5 Lepton universality (3) Again, from the decay Since

6 Lepton universality (4) from the decay

7 Universality of weak interactions? n Do all leptons and quarks carry the same unit of weak charge? –Yes, for leptons, –but No for quarks n for quarks, the couplings to the weak gauge bosons depend on the quark flavors, due toquark-mixing CKM mechanism

8 Weak decays of quarks n Consider the (semileptonic) weak decay n Assuming universality of weak decays of quarks, we expect both decays would happen in similar rate, but...

9 Weak decays of quarks (2)

10 Weak decays of quarks (3) So, what are we going to do? Discard the universality of weak interaction? It was also noticed that the value of the Fermi constant G F deduced from nuclear -decay was slightly less than that obtained from muon decay.

langolo di Cabibbo,richiami Osservazioni sperimentali i decadimenti che implicano S=1 sono molto soppressi rispetto ai decadimenti con S=0. la costante universale G F dedotta dai decadimenti è leggermente inferiore a quella dedotta dal decadimento del

I decadimenti semileptonici dei barioni dellottetto fondamentale

flavours Corrispondenza tra quark e leptoni E giusta questa corrente dei quarks ? NO! Questa corrente non permette di trasformare un quark u in un quark s, e non puó quindi descrivere i decadimenti semileptonici dei barioni dellottetto fondamentale che invece osserviamo osserviamo però che abbiamo usato u d c ed s come autovalori di massa nello spazio dei flavours ( sono i livelli energetici). non è detto che questi valori coincidano nello spazio elettrodebole infatti losservazione sperimentale dei decadimenti semileptonici dei barioni ci dice che NON coincidono: osserviamo la trasformazione di s in u limitandoci a solo due flavours, possiamo scirvere la corrente dei quark limitandoci a solo due flavours, possiamo scirvere la corrente dei quark:

Gli autostati elettrodeboli possono essere una miscela degli autostati di flavour

é una ipotesi ragionevole? 1964, teoria di Nicola Cabibbo a quellepoca esistevano solo 3 quark; si sapeva però che la costante debole del dacadimento era un pò più piccola di quella misurata nel decadimento dei ; inoltre si era osservato che i decadimenti semileptonici dei barioni con S=1 erano soppressi anche 20 volte rispetto ai decadimenti con S=0 laccoppimento debole di questi doppietti è lo stesso G angolo di Cabibbo

Nel 1973una domanda assillava tutti i fisici di particelle elementari Nel una domanda assillava tutti i fisici di particelle elementariPerchè non si osservano le correnti neutre nei decadimenti delle particelle strane flavor-changing? (S=1) Per esempio: perchè esiste un quarto quark: il charm Shelly Glashow con soli 3 quark, le correnti neutre con S=1 avrebbero dovuto esistere con 4 quark esse sono spresse! +

GIM mechanism è scomparsa la corrente neutra con S=1!

18 GIM mechanism (3) At the price of a new quark charm and another quark doublet, the (experimentally) unwanted FCNC has been removed! Later, in 1974, the bound state of charm anti-charm was discovered: J/ n Indeed, just before this discovery, it had been possible to estimate the mass of the new quark!! by considering mixing V td FlavorChangingNeutralCurrent

Come funziona la rotazione di Cabibbo con le correnti del Modello Standard? i vertici elettrodeboli

la corrente carica Appaiono due termini nuovi, entrambi moltiplicati per sin, mentre i vecchi termini sono ridotti di cos

i vertici elettrodeboli si può dimostrare che sostituendo d con d ed s con s,si ha la stessa forma di corrente. La corrente neutra è diagonale sia negli autovalori di massa che negli autovalori elettrodeboli (Vedi, per es: Kane 22.) la corrente neutra

GIM mechanism la corrente neutra è diagonale negli autostati di massa e negli autostati deboli la corrente neutra è diagonale negli autostati di massa e negli autostati deboli lo Standard Model NON prevede vertici lo Standard Model NON prevede vertici X è un bosone di gauge o di Higgs X è un bosone di gauge o di Higgs infatti sono soppressi i decadimenti s d infatti sono soppressi i decadimenti s d la misura di questi branching ratio (flavous changing neutral courrent) è molto interessante perchè è una prova di un nuovo tipo di interazione la misura di questi branching ratio (flavous changing neutral courrent) è molto interessante perchè è una prova di un nuovo tipo di interazione

estensione del modello di Cabibbo al caso dei 3 flavors: la matrice di Cabibbo Kobayashi Maskawa

la terza famiglia la matrice CKM (Cabibbo,Kobayashi, Maskawa) questi vari elementi sono determinati da misure sperimentali V ud confronto tra decay e decay V us semileptonic decay delle particelle strane V ub semileptonic B-mesons decay in non-charmed particle V cb semileptonic B-meson decay B Dl V cd rate of single charmed particle production in experiments

un esempio: valutazione di V cb il quark b può decadere il quark b ha una vita media 2,5 volte più lunga del leptone. può decadere soltanto con una rotazione dallautostato di massa allautostato elettrodebole

26 Parameters of the Standard Model n 17 free parameters of the Electroweak interactions – –3 lepton masses (and perhaps 3 neutrino masses, too?) –6 quark masses –4 quark flavor mixing parameters (a.k.a. CKM) –m(Higgs) n One more in strong sector – s 10 of these are related with quark flavors i.e. we don t know much about flavor sector in the SM after all these years of learning...

Suppression of flavor-changing neutral currents a very stringent suppression of flavor- changing neutral current reactions a very stringent suppression of flavor- changing neutral current reactions (Draw the decay diagrams for the above two reactions! (Draw the decay diagrams for the above two reactions! Is it easy to understand this stringent suppression?