Evrensel ekstra boyut ve diğer bazı yeni fizik senaryolarında hadronik FCNC geçişlerinin araştırılması
Investigation of the hadronic FCNC transitions in universal extra dimension and some other new physics scenario
Yazar: ZEYNEP TAVUKOĞLU
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:
Standart Model; şimdiye kadar elde edilen deneysel veriler ve teorik tahminler arasında en çarpıcı uyumu göstermesi nedeniyle, son derece başarılı bir teori olarak kabul edilmektedir. 2012 yılında, LHC deneyinde Higgs bozonunun keşfedilmiş olması ile birlikte bu modelin tamamlandığı düşünülmektedir. Söz konusu teorinin var olan pek çok probleme açıklık getirmiş olmasının yanında, maddenin kökeni, ayar ve fermiyon kütle hiyerarşisi, madde-antimadde asimetrisi, birleşme gibi cevap veremediği bazı önemli kavramsal eksiklikleri de vardır. Bu eksiklikleri çözebilmek için, TeV skalasının üzerinde var olan enerjilerde bir çok Yeni Fizik senaryosu önerilmiştir. Standart Model'in, daha temel teorilerin düşük enerjili durumlarında ortaya çıktığına inanılmaktadır. 
Bu tezde temel amaç, bir veya iki boyutta Evrensel Ekstra Boyutlu modelleri, farklı Süpersimetrik modeller (SUSY I, SUSY II, SUSY III ve SUSY SO(10)) ve Toprenk- Destekli Teknirenk senaryosu gibi bazı Yeni Fizik modelleri kullanılarak   ( ) ve   gibi bazı baryonik FCNC geçişlerini analiz etmektir. FCNC geçişleri, yalnızca Standart Model'in bir çok parametresinin belirlenmesi için değil, bunun yanında Yeni Fizik senaryolarının öngördüğü yeni parçacıklara hassas olduklarından dolayı da önemlidir. Yukarıda bahsedilen kanallar, Standart Model'de de incelenmektedir. Yeni Fizik modellerinden elde edilen sonuçlar Standart Model öngörüleri ile karşılaştırılmaktadır.
İlk olarak, Standart Model ve tek bir kompakt boyutun varlığında Evrensel Ekstra Boyut modelinde, baryonik    FCNC geçişi, tam teoride ışık koni QCD Toplam Kuralları ile hesaplanmış yapı faktörleri kullanılarak analiz edilmektedir. Göz önüne alınan bozunum kanalında dallanma oranı, lepton ileri-geri yön asimetrisi, baryon polarizasyon ve çift lepton polarizasyon asimetrileri gibi değişik fiziksel nicelikler hesaplanmakta ve Evrensel Ekstra Boyut modelinden gelen sonuçlar Standart Model'in tahminleri ile karşılaştırılmaktadır. Ayrıca, CDF deneyi tarafından sağlanan baryonik   bozunum kanalında alınan deneysel veriler ile teorik sonuçların karşılaştırılması aracılığıyla ekstra boyutun kompaktifikasyon skalası (1/R) üzerine bir alt limit elde edilmektedir. 
Tezin bir sonraki bölümünde, Standart Model'in yanı sıra bir veya iki kompakt Evrensel Ekstra Boyut içeren modellerde ışınımsal   geçişi araştırılmaktadır. Düşük enerjili matris elemanlarına konulan, ışık koni QCD kurallarıyla hesaplanmış yapı faktörleri kullanılarak bu bozunum kanalının toplam bozunum genişliği ve dallanma oranı hesaplanmaktadır. Dikkate alınan fiziksel nicelikler üzerinde Standart Model'in tahminleri ile Ekstra Boyut modellerinin sonuçları karşılaştırılmaktadır. Kompaktifikasyon faktörünün farklı değerlerinde, Standart Model öngörülerinden sonuçların sapmaları araştırılmaktadır. 
Diğer çalışma,  Standart Model'in yanında farklı Süpersimetrik modellerde yarıleptonik   bozunum kanalının incelenmesidir. Özellikle, yapı faktörleri bağlamında düşük enerjili etkin Hamiltonyen'e konulan matris elemanlarının parametrizasyonu göz önüne alınarak, Süpersimetrik modellerde bu geçişten sorumlu geçiş genliği ve diferansiyel bozunum oranı hesaplanmaktadır. Işık koni QCD toplam kuralları ile hesaplanmış yapı faktörleri, SUSY I, SUSY II, SUSY III ve SUSY SO(10) gibi farklı Süpersimetrik modellerde diferansiyel dallanma oranı ve lepton ileri-geri asimetrisini analiz etmek için yine kullanılmaktadır. Elde edilen sonuçlar Standart Model'in öngörüleri ile karşılaştırılmaktadır. Ayrıca, farklı Süpersimetrik Modeller için hesaplanan sonuçların Standart Model'in öngörülerinden nasıl sapma gösterdiği tartışılmaktadır. 

Son olarak, Standart Model'in yanı sıra Toprenk-Destekli Teknirenk senaryosunda, FCNC    geçişinin karşılaştırılmalı analizi yapılmaktadır.  Bu bozunum kanalı ile ilgili bozunum genişliği, dallanma oranı ve lepton ileri-geri asimetrisi göz önüne alınan modellerde hesaplanmaktadır. Aynı zamanda, Toprenk-Destekli Teknirenk modelin sonuçları Standart Model'in öngörüleri ile karşılaştırılmakta ve Standart Model'in tahminlerinden Toprenk-Destekli Teknirenk modelin sonuçlarının nasıl ayrıldığı tartışılmaktadır.  

Tezde elde edilen çalışmaların öngörüleri ile gelecekte yapılabilecek deneysel bulguların göz önüne alınan bozunum kanalları üzerinde karşılaştırmalarını yapmak, Standart Model Ötesi'nde Yeni Fizik etkilerinin araştırılması esnasında bize yardım edebilecektir.

Abstract:
The standard model is recognized as a highly successful theory due to the fact that it has shown the most impressive harmony between the obtained experimental data and theoretical predictions until now. This model has considered to be complete with the discovery of the Higgs boson at the LHC in 2012.  Although this theory has been clarified many questions, there are some important conceptual deficiencies such as origin of the matter, gauge and fermion mass hierarchy, matter-antimatter asymmetry, unification, etc.  that this model can not answer. In order to solve these problems, many new physics scenarios have been proposed in energies beyond TeV scale. It is believed that the standard model is a low energy manifestations of those more fundamental theories.
The main purpose of this thesis is to analyze some baryonic FCNC transitions like   ( ) and   using some new physics models such as universal extra dimension with one or two extra dimensions, different supersymmetric models (SUSY I, SUSY II, SUSY III ve SUSY SO(10)) and topcolor-assisted technicolor scenario. The FCNC transitions are important not only for determination of many parameters of the standard model, but also because of their sensitivity to new particles predicted by new physics scenarios. The above mentioned channels are also investigated in standard model. The obtained results from new physics models are compared with the predictions of the standard model. 
Firstly, using the form factors calculated via light cone QCD sum rules in full theory, the baryonic   FCNC transition is analyzed both in standard model and universal extra dimension scenario in the presence of a single extra compact dimension. Various physical quantities related to this decay channel like branching ratio, forward-backward asymmetry, baryon polarizations and double lepton polarization asymmetries have been calculated and the results obtained in universal extra dimension have been compared with those of the standard model. A lower limit on the compactification scale (1/R) of extra dimension has also been put via comparison of our theoretical results with the experimental data in the baryonic   decay channel provided by CDF Collaboration.
In the next part of the thesis, the radiative   transition is investigated in the standard model as well as models with one or two compact universal extra dimensions. Using the form factors entered the low energy matrix elements, calculated via light cone QCD, the total decay width and branching ratio of this decay channel are calculated. The results of the extra dimensional models are compared with those of the standard model on the considered physical quantities. It is looked for the deviations of the results from the standard model predictions at different values of the compactification factor. 
The next study is the investigation of the semileptonic   decay channel in standard model as well as different supersymmetric models. Especially,  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 transition are calculated in supersymmetric models. The form factors calculated via light cone QCD sum rules are again used to analyze the differential branching ratio and lepton forward-backward asymmetry in different supersymmetric models such as SUSY I, SUSY II, SUSY III ve SUSY SO(10). The obtained results are compared with those of the standard model. It is discussed how the results of different supersymmetric models deviate from the standard model predictions. 
Finally, the FCNC   transition has been comparatively analyzed in the standard model as well as the topcolor-assisted technicolor scenario. The decay width, branching ratio and lepton forward-backward asymmetry related to this decay channel are calculated in those models. The results of the topcolor-assisted technicolor model have also been compared with those of the standard model and it is debated how the results of the topcolor-assisted technicolor model depart from the standard model predictions.
Any comparision of the results obtained in this thesis with the future experimental data on the considered decay channels can help us in the course of search for new physics effects beyond the standard model.