Farklı süpersimetrik modeller ve diğer bazı yeni fizik yaklaşımlarında hadronik FCNC geçişlerinin fenomenolojisi
Phenomenology of the hadronic FCNC transitions in different supersymmetric models and some other new physics approaches
Yazar: ASİYE TUĞBA OLGUN
Danışman: PROF. DR. SEHBAN KARTAL ; DOÇ. DR. KAZEM AZIZI
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Yüksek Enerji ve Plazma Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Parçacık Fiziği'nin uzun yıllardır başarılı bir teorisi olan Standart Model; hemen hemen bilinen tüm dataları açıklayabilen ve şimdiye kadar elde edilen deneysel verilerle mükemmel bir şekilde uyum gösteren bir teoridir. Son yıllarda, 1964 yılından beri Standart Model'in eksik bir unsuru olarak görülen Higgs bozonunun araştırılması ile ilgili önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. 2012 yılında, CERN'deki ATLAS ve CMS deneyleri 5σ'lık bir istatistiksel güvenilirlik seviyesinde 126 GeV'lik bir kütle ile Higgs benzeri bir bozonun gözlemlendiğini ilan etmişlerdir ve bu bozonun bozunum özellikleri hakkında deneysel girişimler hala devam etmektedir. Standart Model parçacık hızlandırıcılarından yirmi yıla yakın bir süredir gelen dataların neredeyse tamamını başarılı bir şekilde  açıklamasına rağmen, cevaplanamayan pek çok soru içermesinden dolayı doğanın nihai bir teorisi olarak kabul edilememektedir. Bu nedenle, Yeni Fizik adı altında bazı alternatif teoriler ileri sürülmüştür. Yeni Fizik modelleri ağırlıklı olarak TeV ölçeğinin ötesindeki enerjilerde önerilmiştir ve Standart Model'in bu teorilerin düşük bir enerji durumu olduğuna inanılmaktadır. Yeni Fizik etkilerini araştırmanın direkt ve dolaylı olarak iki yolu bulunmaktadır. Direkt araştırmada, Standart Model Ötesi parçacıklar direkt olarak çarpıştırıcılarda araştırılmakta, fakat dolaylı araştırmada ise yeni parçacıkların Çeşni Değiştiren Yüksüz Akım (FCNC) bazlı bozunum kanallarına etkileri incelenmektedir. Bu bağlamda, tezde, bazı FCNC bazlı kanallar farklı Süpersimetrik modeller, Bir veya İki Evrensel Ekstra Boyutlu modeller ve Toprenk-Destekli Teknirenk model gibi bazı Yeni Fizik senaryoları kullanılarak çalışılmakta, elde edilen sonuçlar Standart Model sonuçları ile karşılaştırılmaktadır.

Tezin en önemli kısmını meydana getiren ilk çalışmada, Standart ve farklı Süpersimetrik modellerde (SUSY I, SUSY II, SUSY III, SUSY SO(10)) yarıleptonik Λ_b→Λl^+ l^- geçişi incelenmektedir. Özellikle, yapı faktörlerinin bağlamında düşük enerjili etkin Hamiltonyen'e girilen matris elemanlarının parametrizasyonu göz önüne alınarak, Süpersimetrik modellerde bu bozunum kanalını temsil eden genlik ve diferansiyel bozunum oranı hesaplanmaktadır. Bu bozunum kanalı ile ilgili diferansiyel dallanma oranını ve lepton ileri-geri asimetrisini farklı Süpersimetrik modellerde analiz edebilmek amacıyla tam teoride ışık koni QCD toplam kuralları yolu ile hesaplanmış yapı faktörleri kullanılmaktadır. Farklı Süpersimetrik modeller için elde edilen sonuçlar Standart Model sonuçları ile karşılaştırılmakta, ayrıca farklı Süpersimetrik modellerin sonuçlarının Standart Model tahminlerinden farklı olarak nasıl sapma gösterdikleri ve hangi Süpersimetri senaryolarının tercih edildiği tartışılmaktadır. 

İkinci çalışma olarak; tekrar tam teoride ışık koni QCD toplam kuralları aracılığıyla hesaplanmış geçiş yapı faktörleri kullanılarak, Standart Model ve Bir veya İki Evrensel Ekstra Boyutlu modellerde nadir ışınımsal Σ_b→Σγ bozunumu karşılaştırmalı olarak analiz edilmektedir. Ekstra boyutlu modellerde bu bozunum kanalı ile ilişkili toplam bozunum genişliği ve dallanma oranı hesaplanmakta, elde edilen sonuçlar Standart Model sonuçları ile kıyaslanmaktadır. Ayrıca, ekstra boyutun kompaktifikasyon faktörü arttığında Evrensel Ekstra Boyutlu modellerin sonuçlarının Standart Model öngörülerine nasıl yaklaştıkları tartışılmaktadır.   

Son olarak, tam teoride ışık koni QCD toplam kuralları aracılığıyla hesaplanmış yapı faktörleri kullanılarak Standart Model'in yanı sıra Toprenk-Destekli Teknirenk modelde Çeşni Değiştiren Yüksüz Akım süreci Λ_b→Λl^+ l^- karşılaştırmalı olarak analiz edilmektedir. Özellikle, bu geçiş ile ilgili olarak bozunum genişliği, dallanma oranı ve lepton ileri-geri asimetrisi hesaplanmaktadır. Her iki modelin sonuçlarının gösterdikleri farklılıklar karşılaştırılarak Toprenk-Destekli Teknirenk modelin Standart Model öngörülerinden ayrı olarak nasıl bir sapma meydana getirdiği tartışılmaktadır. Ayrıca; CDF ve LHCb deneyleri tarafından sağlanan en son deneysel datalar ile dallanma oranı ve diferansiyel dallanma oranı üzerinde elde edilen sonuçlar mukayese edilmektedir. 

Baryonik bölgede Çeşni Değiştiren Yüksüz Akım bazlı geçişler Standart Model için en hassas testi sağladıklarından ve Standart Model Ötesi Yeni Fizik etkilerine duyarlı olduklarından dolayı, bu tez çalışmasında göz önüne alınan bozunum kanalları yalnızca deneysel dataları analiz etmek konusunda yardımcı olmakla kalmayarak aynı zamanda kuantum kromodinamiğin tedirgemeli ve tedirgemesiz yönleri hakkında yararlı bilgiler elde edilmesini sağlayacaktır.

Abstract:
The standard model of particle physics has been a successful theory for many years. It has shown a perfect agreement with the experimental data so far and has explained almost all known data. In recent years, significant progresses have been made regarding the investigation of Higgs boson as a missing element of the standard model since 1964. In 2012, the ATLAS and CMS experiments at CERN reported their observations of a Higgs like boson with a mass of 126 GeV at a statistical significance of 5σ. Experimental attempts on the decay properties of this boson are continued. Although the standard model has successfully explained almost all data obtained from particle accelerators in a period of nearly twenty years, it can not be considered as a ultimate theory of nature due to many questions that can not be answered by this model. For this reason, some alternative theories under new physics have been proposed. The new physics models have been mainly proposed in energies beyond the TeV scale and it is believed that the standard model is a low energy manifestation of those theories. There are two ways of searches for new physics effects: direct and indirect. In direct search, people are looking for the particles beyond the standard model at colliders directly, but in indirect search, we look at the effects of new particles to the flavor changing neutral current (FCNC) based decay channels. In this connection, in this thesis, some FCNC based channels are studied using some new physics scenarios like different supersymmetric models, extra dimensional models with one or two universal extra dimensions and topcolor-assisted technicolor model. The results obtained are compared with those of the standard model.

As the first study which constitutes the most important part of the thesis, the semileptonic Λ_b→Λl^+ l^- transition is studied in standard as well as different supersymmetric models (SUSY I, SUSY II, SUSY III, SUSY SO(10)). In particular, considering the parametrization of the matrix elements entered the low energy effective Hamiltonian in terms of form factors, the amplitude and differential decay rate responsible for this decay channel are calculated in supersymmetric models. The form factors calculated via light cone QCD sum rules in full theory are used to analyze the differential branching ratio and lepton forward-backward asymmetry related to this decay channel in different supersymmetric models. The obtained results are compared with those of the standard model. Also it is discussed how the results of different supersymmetric models deviate from the standard model predictions and which SUSY scenarios are favored.

As the second work, using transition form factors calculated again via light cone QCD sum rules in full theory, the rare radiative Σ_b→Σγ decay is comparatively analyzed in the standard model and models with one or two universal extra dimensions. The total decay width and branching ratio associated with this decay channel are estimated in extra dimensional models. The obtained results are compared with those of the standard model. It is discussed how the results of universal extra dimensional models approach to the standard model predictions when the compactification factor of extra dimension is increased.

Finally, the flavor changing neutral current process of the Λ_b→Λl^+ l^- is comparatively analyzed in the standard model as well as topcolor-assisted technicolor model using the form factors calculated via light cone QCD sum rules in full theory. In particular, the decay width, branching ratio and lepton forward-backward asymmetry related to this decay channel are calculated. The results of the topcolor-assisted technicolor model are compared with those of the standard model and debated how the results of the topcolor-assisted technicolor model depart from the standard model predictions. Also our results  on the  branching ratio and differential branching ratio are compared with recent experimental data provided by CDF and LHCb Collaborations.

Since the flavor changing neutral current based transitions in baryonic sector provide the most sensitive test for the standard model and are sensitive to new physics effects beyond the standard model, the decay channels considered in this thesis can help us not only in analyzing the experimental data but also in getting useful information about the perturbative and non-perturbative aspects of the quantum chromodynamics.