Phenomenological aspects of the n and n' mesons

Abstract

La fenomenologia dels mesons neutres i de llarga vida n i n’ constitueix un laboratori ideal de conservació de sabor per investigar la cromodinàmica quàntica en el règim no pertorbatiu, així com els mecanismes associats de ruptura de les simetries. Així mateix, les desintegracions d’aquests estats han guanyat molta atenció en els darrers anys i han estat identificades com a sondes excepcionals en el context de mesuraments d’alta precisió per observar desviacions potencials pel que fa a les prediccions del Model Estàndard i, per tant, com una possible finestra per descobrir nova física més enllà del Model Estàndard. Com a resultat, recentment s’han dissenyat nombrosos programes experimentals en centres d’alta intensitat per a aquest propòsit, cosa que promet una nova i excitant era per a la física dels mesons n i n’ a la frontera de la precisió. És dins d’aquest context que explorem diversos aspectes fenomenològics dels mesons n i n’ en aquesta tesi. Comencem estudiant la barreja en el sistema π0-n-n’ a partir de les desintegracions radiatives V → Pγ i P → Vγ utilitzant un model fenomenològic que incorpora la ruptura explícita de la simetria d’isospí. A continuació, analitzem les contribucions procedents de l’intercanvi de mesons escalars i vectorials del Model Estàndard a les desintegracions doblement radiatives n(‘) → π0γγ y n’ → nγγ, presentant per primera vegada prediccions teòriques per a aquest darrer procés. Seguidament, procedim a investigar la sensibilitat d’aquestes desintegracions a senyals d’un hipotètic bosó B leptofòbic que s’acobla al nombre bariònic. Així mateix, proporcionem límits millorats per a la massa mB del bosó B i el seu acoblament αB a partícules del Model Estàndard, a més de fer ajustos a les dades experimentals disponibles de la distribució de massa invariant difotònica. Els resultats d’aquesta anàlisi poden ser rellevants per als programes de cerca de bosons B a les factories de mesons lleugers existents i futures, com els experiments KLOE(-II) i Jefferson Lab Eta Factory. Continuem amb una anàlisi detallada de les prediccions del Model Estàndard per a les desintegracions semileptòniques que conserven paritat C n(‘) → π0l+l− y n’ → nl+l− (l = e or μ), les quals poden ser utilitzades per a identificar possibles discrepàncies respecte a mesuraments d’alta precisió en futures factories de mesons n i n’. En aquesta tesi presentem per primera vegada prediccions teòriques per a les quatre raons de desintegració dels processos n’ → π0l+l− y n’ → nl+l−, així com les seves distribucions de massa invariants dileptòniques. Finalitzem estudiant possibles senyals de violació de la simetria CP a les desintegracions semileptòniques n(‘) → π0μ+μ− y n’ → nμ+μ− on utilitzem la teoria efectiva de camp del Model Estàndard com a marc teòric per capturar nova física, i avaluem la viabilitat de ser observats en el futur experiment REDTOP.

La fenomenología de los mesones neutros y de larga vida n y n’ constituye un laboratorio ideal de conservación de sabor para investigar la cromodinámica cuántica en el régimen no perturbativo, así como los mecanismos asociados de ruptura de las simetrías. Asimismo, las desintegraciones de estos estados han ganado mucha atención en los últimos años y han sido identificadas como sondas excepcionales en el contexto de mediciones de alta precisión para observar desviaciones potenciales con respecto a las predicciones del Modelo Estándar y, por tanto, como una posible ventana para descubrir nueva física más allá del Modelo Estándar. Como resultado, recientemente se han diseñado numerosos programas experimentales en centros de alta intensidad para este propósito, lo que promete una nueva y excitante era para la física de los mesones n y n’ en la frontera de la precisión. Es dentro de este contexto que exploramos varios aspectos fenomenológicos de los mesones n y n’ en esta tesis. Comenzamos estudiando la mezcla en el sistema π0-n-n’ a partir de las desintegraciones radiativas V → Pγ y P → Vγ utilizando un modelo fenomenológico que incorpora la ruptura explícita de la simetría de isospín. A continuación, analizamos las contribuciones procedentes del intercambio de mesones escalares y vectoriales del Modelo Estándar a las desintegraciones doblemente radiativas n(‘) → π0γγ y n’ → nγγ, presentando por primera vez predicciones teóricas para este último proceso. Seguidamente, procedemos a investigar la sensibilidad de estas desintegraciones a señales de un hipotético bosón B leptofóbico que se acopla al número bariónico. Asimismo, proporcionamos límites mejorados para la masa mB del bosón B y su acoplamiento αB a partículas del Modelo Estándar, además de realizar ajustes a los datos experimentales disponibles de la distribución de masa invariante difotónica. Los resultados de este análisis pueden ser relevantes para los programas de búsqueda de bosones B en las factorías de mesones ligeros existentes y futuras, como los experimentos KLOE(-II) y Jefferson Lab Eta Factory. Continuamos con un análisis detallado de las predicciones del Modelo Estándar para las desintegraciones semileptónicas que conservan paridad C n(‘) → π0l+l− y n’ → nl+l− (l = e or μ), las cuales pueden ser utilizadas para identificar posibles discrepancias con respecto a mediciones de alta precisión en futuras factorías de mesones n y n’. En esta tesis presentamos por primera vez predicciones teóricas para las cuatro razones de desintegración de los procesos n’ → π0l+l− y n’ → nl+l−, así como sus distribuciones de masa invariantes dileptónicas. Finalizamos estudiando posibles señales de violación de la simetría CP en las desintegraciones semileptónicas n(‘) → π0μ+μ− y n’ → nμ+μ− donde utilizamos la teoría efectiva de campo del Modelo Estándar como marco teórico para capturar nueva física, y evaluamos la viabilidad de ser observados en el futuro experimento REDTOP.

The phenomenology of the neutral and long-lived n and n’ mesons constitutes an ideal flavour-conserving laboratory for investigating the dynamics of quantum chromodynamics in the non-perturbative regime, as well as its relevant symmetry-breaking mechanisms. In addition to this, the decays of these states have been identified, and have gained plenty of attention in recent years, as unmatched probes in the context of high-precision measurements to observe potential departures from the Standard Model predictions and, therefore, as a potential window for discovering new physics beyond the Standard Model. As a result of this, many broad experimental programmes in high-intensity-frontier centres have been designed for this purpose, holding promise for a new and exciting era of n and n’ physics at the precision frontier. It is within this context that we explore several phenomenological aspects of the n and n’ mesons in this thesis. We begin by studying the mixing in the π0-n-n’ system from radiative V → Pγ and P → Vγ decays using a phenomenological model that incorporates explicit breaking of the isospin symmetry. We then move on to analyse the Standard Model scalar and vector meson exchange contributions to the doubly radiative decays n(‘) → π0γγ and n’ → nγγ, presenting for the first time theoretical predictions for the latter. Next, we investigate the sensitivity of these decays to signatures of a hypothetical leptophobic B boson that couples to the baryon number. We provide improved constraints on the B-boson mass mB and coupling to Standard Model particles αB, and perform fits to the available diphoton invariant mass distribution data. The results from this analysis may be of relevance for the B-boson search programmes at existing and forthcoming light-meson facilities, such as KLOE(-II) and Jefferson Lab Eta Factory experiments. We then follow with a detailed analysis of the Standard Model predictions for the C-conserving semileptonic decays n(‘) → π0l+l− and n’ → nl+l− (l = e or μ), which may be used to identify potential discrepancies with high-precision measurements at future n and n’ factories. Theoretical predictions for the four n’ → π0l+l− and n’ → nl+l− branching ratios and dilepton invariant mass distributions are presented in this thesis for the first time. Finally, we study potential CP-violating signatures in n(‘) → π0μ+μ− and n’ → nμ+μ− decays using the Standard Model effective field theory as the general framework to capture new physics, and we assess the prospect of observing them at the future REDTOP experiment.