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《南开大学》 2009年
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基于统计的数据处理与理论之间的桥梁

郝喜庆  
【摘要】: 物理学归根结蒂是一门实验科学,是描述自然界最本质规律的科学。然而实验数据的堆砌不是我们对于自然规律的认识。从牛顿时代开始,物理学家通过运用了当时最先进的数学工具对实验现象归纳,整理和深化,提炼出具有普遍性的规律。今天我们仍在遵循这一过程,根据观测到的实验现象“猜到”物理定律。由于它的规律性和普遍性,它可以解释和预言其它物理现象。当然这不是全部过程。这些整理出来的规律还必须进一步得到实验的检验。当运用到解释自然现象时,如果理论预言和测量数据一致,说明理论的合理性,反之则说明得到的理论或者不对,或者有局限性需要推广和修正。这是一个不断重复的复杂过程,在这个过程中最关键的一个环节是建立实验数据与理论间的桥梁。例如,第谷—开普勒—牛顿关于万有引力的研究就是从纯粹观测数据到总结出规律,最后提炼出牛顿引力定律的漫长过程,其中任何一个环节都是必不可少的。然而在三个世纪之前,那时所涉及的物理不是很复杂,需要高度专业的知识也较少,这个中间环节也许还比较简单。然而随着科学的飞速发展,人类积累的知识越来越多,分工越来越细,学科也越来越复杂,一个人很难兼顾理论与实验,不论理论还是实验都需要越来越专越来越多的专业知识。理论越来越艰深,需要的数学工具越来越多。相应的,实验技术的发展也越来越迅速,微观物理随机的本性又使得粒子物理的实验都需要大统计量,数据分析技术也越来越专业,实验仪器越来越复杂,越来越昂贵,甚至到了单个国家难以承受的程度。物理学的复杂化使得理论和实验的分工越来越鲜明,已经很少有人能真正兼顾理论和实验。出现了理论物理学家不理解实验文章的关键和细节,不知道如何做做数据的统计分析,误差分析,背景检验和去除,这对判断理论与实验的符合程度是非常不利的。而且提出的模型往往没有考虑实验背景,也给实验家设计实验设置了困难。而实验的物理学家又看不懂理论物理学家提出的含有艰深数学知识的物理图像,不知道应该测量什么样的信号,不知道如何安排相应的实验来检验它。理论和实验之间似乎存在了一道鸿沟。这个时候就需要有这样一些人,他们既懂基本理论,又懂实验数据的处理方法,并致力于为理论物理学家和实验物理学家之间架设一个通道:对实验数据的分析的准确性和对理论模型的正确性、局限性做出判断,并且确定理论模型参数,提出疑难问题;另一个方向是从理论模型的出发,对测量指标的选定,包括背景的全面分析等等,让实验物理学家真正设计构造一个完整的实验。本论文的内容就是从这两个方向出发在理论和实验之间建立一座基于统计的桥梁。 在这个思想的指引下,我们在本论文中做了三个工作:1,系统地研究了在无粲稀有B衰变中湮灭图的贡献,这在以前的所有相应理论研究中都是认为很小而忽略不计的。通过研究B~+→K~+(?)~0和B~0→K~0(?)~0的分支比的实验数据我们发现,湮灭图的贡献不能是零。并且,我们还发现,非零的湮灭图在B~+→π~+K~0,K~+(?)~0的CP不对称比率中起了很关键的作用。在这个工作中我们还对新物理贡献提出了限制。2,第一次通过最小x~2数据处理方法对跃迁ψ(ns)→ψ(ms)+ππ和γ(ns)→γ(ms)+ππ的QCD多极展开的势模型方法的参数做了拟合,从实验数据中提取出了尽可能多的理论信息。通过研究,我们确定了关于b和c的hybrid态的势模型参数,这在以前是通过假定某个态是hybrid来确定的。从而保证了理论计算的可靠性。同时我们对η_b的质量做出预测。我们发现,夸克胶子混合态的基态在实验中并没有对应的观测态,这可能暗示我们夸克胶子混合态总是和正常的夸克反夸克对总是混合在一起。3,研究了在高能物理实验中Bell不等式的检验。我们首先第一次利用蒙特卡洛随机实验模拟方法模拟级联衰变J/ψ→γη_c→∧(?)→pπ~-(?)π~+的衰变产物两个π的动量方向的夹角,找出了要在传统量子力学和LHVT理论中做出明显区分所需要数据量的大小,然后仔细讨论了这种方法的优缺点;然后提出了在高能物理中满足爱因斯坦非定域条件的直接严格检验Bell不等式的一个新的建议,并仔细讨论了这种方法的优点以及它目前面临的困难。
【学位授予单位】:南开大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O572.2

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