Anatomy of the B-meson Light-Cone Distribution Amplitude

Abstract

In the Standard Model of particle physics, the strong dynamics of hadronic particles such as the B meson are governed by Quantum Chromodynamics (QCD). Currently, there exists no single method capable of accurately predicting all phenomena associated with QCD. Rather, various specialized methods have emerged to address specific phenomena. Among these approaches, QCD Factorization and QCD Light-Cone Sum Rules are used for exclusive, energetic B decays. Therein, the B-meson Light-Cone Distribution Amplitudes (LCDAs) systematically represent the internal structure of the B meson, and as such, the LCDAs are (presently) inaccessible from first principles. In this thesis, we develop a new systematic framework for phenomenological analyses, focusing on the leading-twist B-meson LCDA which leads to the dominant contribution in predictions. Our framework allows for the integration of various theoretical and experimental constraints to infer the LCDA and derive predictions. While models have been used for the same purpose, our approach makes systematic uncertainties quantifiable and provides greater transparency in the implementation of constraints. We derive a new systematic parametrization of the leading-twist B-meson LCDA that fulfills established mathematical properties and satisfies a parameter bound to address the issue of truncation in the expansion. We discuss certain practical aspects, such as renormalization group evolution, the implementation of the known short-distance behavior as a fit constraint, and more. In addition, we update the known short-distance behavior with the effect of a non-zero spectator quark mass to improve the effectiveness of our approach for applications with the Bs meson. For this purpose, we perform a generic matching calculation, which further yields a new result for the short-distance behavior of the subleading 2-particle LCDA. To demonstrate the practical utility of our framework, we perform a detailed analysis of the decay mode B meson to photon, lepton, and neutrino, which serves as a benchmark for probing the leading-twist B-meson LCDA. To that end, we extended the EOS software with experimental observables of this decay and pseudo-observables to accommodate the theoretical short-distance constraint. This enabled a proof-of-concept study using mock data and the Bayesian analysis tools in EOS which underscores the utility of the measurement of this decay mode and further demonstrates the effectiveness of the parameter bound in managing truncation errors. This analysis highlights the significant potential of our approach for future research.

Im Standardmodell der Teilchenphysik werden die starken Wechselwirkungen hadronischer Teilchen wie des B-Mesons durch die Quantenchromodynamik (QCD) bestimmt. Derzeit gibt es keine einzelne Methode, die in der Lage ist, alle mit der QCD verbundenen Phänomene genau vorherzusagen. Vielmehr wurden verschiedene spezialisierte Methoden entwickelt, die sich mit bestimmten Phänomenen befassen. Unter diesen Ansätzen werden die QCD-Faktorisierung und QCD-Lichtkegel-Summenregeln für exklusive energetische B-Zerfälle verwendet. Dabei repräsentieren die Lichtkegel-Distributions-Amplituden (LCDAs) des B-Mesons systematisch seine innere Struktur, und als solche sind die LCDAs (derzeit) nicht von grundlegenden Prinzipien ableitbar. In dieser Arbeit entwickeln wir ein neues systematisches Framework für phänomenologische Analysen, das sich auf die B-Meson-LCDA zu führender Twist-Ordnung konzentriert, welche in Vorhersagen den dominanten Beitrag generiert. Unser Framework ermöglicht die Integration verschiedener theoretischer und experimenteller Informationen, um die LCDA abzuleiten und Vorhersagen zu treffen. Modelle wurden bereits für denselben Zweck verwendet, jedoch macht unser Ansatz systematische Unsicherheiten quantifizierbar und bietet größere Transparenz für die Implementierung bekannter Informationen. Wir leiten eine neue systematische Parametrisierung der B-Meson-LCDA zu führendem Twist ab, die etablierte mathematische Eigenschaften erfüllt und eine Parameterschranke erfüllt, um Trunkierung der Parameterentwicklung handzuhaben. Wir diskutieren bestimmte praktische Aspekte wie Skalenentwicklung durch die Renormierungsgruppe, Einschränkung der LCDA durch das bekannte Verhalten bei geringer Separation (Kurzstreckenverhalten) und mehr. Darüber hinaus erweitern wir das bekannte Kurzstreckenverhalten mit dem Effekt einer von Null verschiedenen Spectator-Quark-Masse, um die Effektivität unseres Frameworks für Anwendungen mit dem Bs-Meson zu verbessern. Zu diesem Zweck führen wir eine generische Matching-Rechnung durch, die zusätzlich ein neues Ergebnis für das Kurzstreckenverhalten der 2-Teilchen-LCDA zu nachfolgender Twist-Ordnung ergibt. Um den praktischen Nutzen unseres Frameworks zu demonstrieren, führen wir eine detaillierte Analyse des Zerfalls B-Meson nach Photon, Lepton und Neutrino durch, der als Maßstab für die Untersuchung der führenden B-Meson-LCDA gilt. Dazu haben wir die Software EOS um experimentelle Observablen dieses Zerfalls und Pseudo-Observablen entsprechend dem theoretische Kurzstreckenverhalten erweitert. Dies ermöglicht eine Machbarkeitsstudie unter Verwendung von Pseudo-Daten und den Bayes'schen Analysewerkzeugen in EOS, welche den Nutzen der Messung dieses Zerfalls unterstreicht und weiterhin die Wirksamkeit der Parameterschranke zur Handhabung von Trunkierungsfehlern demonstriert. Diese Analyse zeigt das signifikante Potenzial unseres Ansatzes für zukünftige Forschung.