Desintegraciones hadrónicas y radiativas del leptón tau

Abstract

En esta Tesis se han estudiado las desintegraciones hadrónicas del leptón tau. Tras motivar que la Teoría Quiral de Resonancias era un marco adecuado para su estudio, ésta se ha aplicado en una serie de casos de interés. Con las desintegraciones   3  hemos completado el estudio de la hadronización de la corriente axial en desintegraciones a tres mesones del tau. Además, hemos calculado la anchura fuera de capa másica de la resonancia a1, que será empleada en gran número de estudios fenomenológicos posteriormente. Finalmente, hemos comprobado la corrección de nuestro tratamiento al describir con éxito los observables disponibles para estas desintegraciones. También hemos estudiado las desintegraciones   K K  realizando el primer estudio de hadronización de la corriente vectorial en este tipo de procesos. Hemos extendido el Lagrangiano de la teoría incluyendo el vértice VPPP y justificado el BR(  3 ). Nos hemos servido de relaciones de isospín entre el proceso considerado y la sección eficaz hadrónica correspondiente para fijar dos incógnitas y nuestro análisis se ha visto respaldado por los recientes datos de Belle, donde mejora drásticamente lo obtenido por la antigua versión del generador de MonteCarlo Tauola. Así hemos determinado la hadronización de la corriente vectorial por vez primera. También se han considerado las desintegraciones    y (e+ e-  ) confirmando los resultados obtenidos antes y permitiendo estimar dos nuevos parámetros de la Teoría. Además, hemos corroborado CVC. La contribución de partículas de espín cero a estos procesos debe todavía ser estudiada. Finalmente, hemos estudiado las desintegraciones radiativas con un mesón y un fotón. Hemos demostrado que no han sido descubiertas porque no se han buscado específicamente y enfatizamos su interés para tests de universalidad leptónica y, dado que son fondo en la búsqueda tau a mu gamma, para reducir la cota en estas búsquedas de violación de sabor leptónico. Los descubrimientos de esta Tesis han sido/están siendo incluidos en el generador Tauola, proporcionando así a la comunidad experimental una herramienta bien fundamentada teóricamente para estudiar estos procesos.

We have first motivated the interest of studying semileptonic decays of the tau lepton. Then, we have discussed how to consider them rigorously from a theoretical viewpoint and justified that Resonance Chiral Theory (RT) is a suitable framework to deal with these problems. We have studied tau to   3  decays. With our work we have completed the study of the hadronization of the axial-vector current in three-meson tau decays and provided a consistent scheme to treat both Green functions and related form factors. We hace computed within RT the off-shell a1 width, which is a capital result, since it will be usable in a number of subsequent phenomenological applications where this width intervenes. We have finally checked that the proposed formalism indeed works, because it offers a very accurate description of different experimental observables for these decays. Therefore, we have achieved our initial target: completing the description of hadronization of QCD currents in these processes. We have also studied tau decays into two-kaon one-pion systems. Thus, we have performed the first study of the hadronization of the vector current with more than two mesons involved. For this, we have extended the RT Lagrangian, including the interactions between a vector resonance and three pseudoscalars, which allowed to reproduce the   3  decay rate and analyze consistently the considered decays. We have used isospin relations to estimate two Lagrangian couplings which remained free. Recent Belle data on this hadronic tau decay confirm that our description is adequate at low energies and, in particular, improves substantially the old version of hadronization in the TAUOLA Monte Carlo Generator. This way, we are able to determine the hadronization structure of the vector current in these processes for the first time. We have also considered tau decays into eta pi pi states and (e+ e-  ). This study has allowed us to confirm the Lagrangian coupling values obtained before and fix two new ones. Additionally, it tested CVC successfully. Spin zero contributions to these decays containing eta particles should still be considered. Finally, we have studied one-meson radiative tau decays aiming to understand why they have not been discovered yet. We confirm that it is because the lack of a dedicated search by the experimental collaborations, since its branching ratio should be well above detection level. We insist they should search for them, for their intrinsic interest, because they test the goodness of photon detection at heavy-flavour-factories and for the tests of lepton universality of the weak current they provide. We have also found that the decay including a pion is a sizable source of background for the Lepton Flavour Violating decay tau to mu gamma which has been underestimated by an order of magnitude. Use of our results would allow an improvement of this size in the current bound. The findings of this Thesis have been/are being coded in the Monte Carlo event generator Tauola, providing thus the experimental community with a theory-based tool to analyze these decays.