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《山东大学》 2017年
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BESⅢ上奇特强子态的寻找及研究

李科  
【摘要】:自从量子色动力学问世以来,对于微扰能区的物理量可以很完美地计算,但是对非微扰能区一向缺少精确计算及认识,对夸克受前相互作用束缚为强子时的规律更是缺少限制,由此人们一直在通过寻找新型强子结构以及高精度的测量来完善量子色动力学以对整个物质世界有更深地了解。北京正负电子对撞机上的BESⅢ探测器工作的粲夸克能区正是量子色动力学由微扰向非微扰的过渡区域,而且实验上发现的可能拥有新型强子结构的奇特强子态也多数位于该区域,所以研究该区域中相应强子的产生与衰变机制以及寻找奇特强子态对研究量子色动力学有非常重要的意义。目前国际上多个粒子物理实验已经发现存在X(3872),Y(4140),Y(4260),Y(2175)以及Ds0*(2317)等与常规强子性质截然不同的共振态,这些态均以不同寻常的衰变模式出现在不同寻常的位置上。人们普遍认为这些态极有可能拥有新型强子结构,并提出多种理论模型试图去解释它们的存在,但是实验结果的匮乏使得人们离理解这些态的内部结构还有很远的距离。本文致力于利用BESⅢ上质心系能量在3.7 GeV之上的正负电子对撞数据寻找并研究上述态,具体为寻找它们的新产生和衰变模式,以及它们之间的关联,从而为全面理解这些态提供关键的信息。利用BESⅢ探测器在质心系能量(?)=4.26 GeV附近的数据,我们首次通过e+e-→ γπ+π-(ρ)J/φ过程观测到著名的奇特强子态候选者X(3872),其信号统计显著性超过10σ,测得质量为3872.6 ± 0.5 ± 0.2 MeV/c2,其中后两项分别为统计和系统误差。测量得到的各个能量点下的截面分布显示X(3872)很可能来自于另一奇特强子态候选者Y(4260)的辐射跃迁,并且分支比与Y(4260)→ π+π-J/φ相当。该结果首次发现X(3872)与Y(4260)态相关联,表明其具有类似的本质,除目前仅知的B介子衰变以及强子对撞外,此过程发现新的X(3872)产生机制,并且为Y(4260)除了π+π-J/φ之外新的衰变模式,为理解这些态提供强有力的信息。在BESⅢ上继发现X(3872)之后,我们利用相同的数据通过e+e-→γφJ/φ过程对另一奇特强子态候选者Y(4140)进行了寻找因为Y(4140)与X(3872)可能为同一类型强子态,其中分别用K+K-,KS0欠L0和π+π-π0道重建φ然后合并分析,所有数据中均没有观测到明显的信号,我们给出相应过程在质心系能量为4.23,4.26和4.36 GeV处的截面在90%置信度下的上限分别为0.35,0.38和0.33 pb。结合之前所测量的γX(3872)产生截面,以及在分子态模型下计算的Y(4140)→φJ/φ分宽度可以得到在4.23和4.26 GeV下两个过程的截面比σ(e+e-→-γY(4140))/(e+e-→ γX(3872))处于0.1的量级或者更小。在奇异夸克偶素能区的奇特强子态候选者Y(2175),有与Y(4260)类似的性质,我们利用BESⅢ采集的质心系能量在3.7 GeV之上的数据首次观测到e+e-→ ηY(2175)过程,联合所有数据得到的统计显著性超过10σ,这是实验观测的Y(2175)新的产生机制。测得Y(2175)质量为2135±8±9 MeV/c2,宽度为104 ±24 土 12 MeV,这里两项误差分别为统计和系统误差。各个能量点上的截面中,没有发现明显的粲偶素贡献,与预期的矢量赝标量过程的分布相吻合。同时利用质心系能量为3.686 GeV包含(447.9 ± 2.9)× 106个φ(3686)事例的数据寻找φ(3686)→ηY(2175)过程,并没有发现显著信号,考虑J/φ和φ(3686)衰变的相空间差异之后的分支比比例B*(φ(3686)→ηY(2175))/B*(J/φ → η(2175))=(0.23 ± 0.29 ± 0.13)%,与 12%规则相比有非常大的压低,这也是新的不符合该规则的矢量赝标量过程。同时我们用相同的数据寻找e+e-→ η'Y(2175)过程,没有发现明显信号,联合所有数据得到的截面之比σ(e+e-→ η'Y(2175))/σ(e+e-→ ηY(2175))在90%置信度下的上限为0.43。除夸克偶素能区外,在粲介子能区也发现有常规夸克模型很难解释的态,其中人们认知最少也是最感兴趣的为Ds0*(2317)±。我们利用BESⅢ在质心系能量为4.6 GeV采集的566.93 pb-1数据首次通过Ds*(?)的反冲质量信息观测到 Ds0*(2317)±信号,测得Ds0*(2317)质量为(2318.3± 1.2±1.2)MeV/c2,统计显著性为5.8σ,并利用Ds*(?)的反冲侧信息通过部分重建Ds0*(2317)±的方法首次测量了Ds0*(2317)衰变的绝对分支比B(Ds*0(2317)±→ π0Ds±)为1.00-0.14±0.14,这里两项误差分别为统计和系统误差。该结果表明Ds0*(2317)±的衰变中π0Ds±占绝对主导部分,与常规粲介子cs模型下的预期有差异,却与分子态模型下的计算相吻合。在粲介子对阈值以上,预期所有矢量粲偶素或类粲偶素倾向于衰变到粲介子对末态,所以精确测量这些粲介子对的产生截面对理解这些(类)粲偶素有非常重要的意义。我们利用BESⅢ所采集的从Ds+Ds-阈值直到质心系能量为4.6 GeV处的超过100个能量点下的数据精确测量了 e+e-→D+Ds-过程的玻恩截面,我们分别重建一个Ds+和-并测量相应截面,之后再合并两组结果。从截面随质心系能量的分布中在4.23 GeV即Ds*+Ds*-质量阈值附近发现Ds+Ds-过程有明显的增强效应,该处的奇特结构也可能来自于Y(4260)与周围其它粲偶素之间的干涉效应。
【关键词】:粲偶素 新型强子结构 奇特强子态 12%规则 分支比 玻恩截面
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O572.243
【目录】:
  • 摘要16-18
  • ABSTRACT18-21
  • 第一章 引言21-41
  • 1.1 物质的组成结构21-22
  • 1.2 标准模型22-26
  • 1.2.1 发展历程22
  • 1.2.2 最基本粒子22-24
  • 1.2.3 基本相互作用24-26
  • 1.2.3.1 电弱相互作用24-25
  • 1.2.3.2 强相互作用25-26
  • 1.3 强子谱简介26-27
  • 1.4 粲偶素与夸克势模型27-30
  • 1.4.1 势模型27-28
  • 1.4.2 粲偶素能谱28-29
  • 1.4.3 粲偶素跃迁29-30
  • 1.5 奇特强子态30-37
  • 1.5.1 新型强子结构32
  • 1.5.2 类粲偶素32-34
  • 1.5.3 奇特粲介子候选者34-37
  • 1.6 自然单位制37-38
  • 1.7 论文的选题38-41
  • 第二章 北京谱仪实验BESⅢ41-65
  • 2.1 北京正负电子对撞机Ⅱ41-42
  • 2.2 BESⅢ探测器42-55
  • 2.2.1 物理目标和总体性能44-46
  • 2.2.2 束流管46
  • 2.2.3 主漂移室46-51
  • 2.2.3.1 单元结构47-48
  • 2.2.3.2 丝层安排48-49
  • 2.2.3.3 性能参数49-51
  • 2.2.4 飞行时间计数器51
  • 2.2.5 电磁量能器51-52
  • 2.2.6 超导磁铁52-53
  • 2.2.7 缪子计数器53
  • 2.2.8 电子学系统53-54
  • 2.2.9 触发判选系统54-55
  • 2.2.10 数据获取系统55
  • 2.3 BESⅢ离线软件系统55-61
  • 2.3.1 BESⅢ离线软件框架56
  • 2.3.2 BESⅢ探测器MC模拟系统56-57
  • 2.3.3 BESⅢ中MC产生子57-58
  • 2.3.4 BESⅢ离线刻度及重建58-61
  • 2.3.4.1 主漂移室径迹重建与刻度59-60
  • 2.3.4.2 电离能损重建与刻度60
  • 2.3.4.3 TOF重建与刻度60
  • 2.3.4.4 EMC重建与刻度60
  • 2.3.4.5 MUC重建与刻度60-61
  • 2.3.5 BESⅢ物理分析软件61
  • 2.4 BESⅢ数据样本61-65
  • 2.4.1 离线质心系能量测量61-63
  • 2.4.2 离线积分亮度和事例总数测量63-65
  • 第三章 通过e~+e~-→γπ~+π~-J/ψ过程研究X(3872)与矢量类粲偶素的关联65-81
  • 3.1 研究背景及简介65-66
  • 3.2 蒙特卡洛模拟及所用数据样本66-67
  • 3.3 事例选择条件67-69
  • 3.4 本底分析69-71
  • 3.5 质量测量71-75
  • 3.6 玻恩截面测量75-77
  • 3.7 系统误差分析77-80
  • 3.7.1 质量测量的系统误差77-78
  • 3.7.2 截面测量的系统误差78-80
  • 3.8 总结与讨论80-81
  • 第四章 通过e~+e~-→γφJ/ψ过程寻找Y(4140)81-99
  • 4.1 研究背景及简介81-82
  • 4.2 数据样本和MC模拟82-83
  • 4.3 事例选择条件83-92
  • 4.3.1 φ→K~+K~-83-87
  • 4.3.2 φ→K_S~0K_L~087-89
  • 4.3.3 φ→π~+π~-π~089-92
  • 4.4 玻恩截面测量92-95
  • 4.5 系统误差分析95-96
  • 4.6 总结与讨论96-99
  • 第五章 通过e~+e~-→ηφf_0过程研究Y(2175)与矢量(类)粲偶素的关联99-115
  • 5.1 研究背景及简介99-100
  • 5.2 所用数据和蒙特卡洛模拟100-101
  • 5.3 事例选择条件及本底分析101-103
  • 5.4 玻恩截面测量103-106
  • 5.5 寻找中间共振态Z_s~±106-107
  • 5.6 寻找ψ(3686)→ηY(2175)107-109
  • 5.7 寻找e~+e~-→η'Y(2175)的过程109-110
  • 5.8 系统误差分析110-111
  • 5.8.1 截面测量的系统误差110-111
  • 5.9 Y(2175)质量与宽度测量的系统误差111-113
  • 5.9.1 分支比B(ψ,(3686)→ηY(2175))的系统误差112
  • 5.9.2 比例R=σ(e~+e~-→ηY(2175)/σ(e~+e~-→η'Y(2175))的系统误差112-113
  • 5.10 总结与讨论113-115
  • 第六章 首次测量绝对分支比D_(s0)~*(2317)→π~0D_s115-127
  • 6.1 研究背景及简介115-116
  • 6.2 数据样本及蒙特卡洛模拟116
  • 6.3 分析方法116-120
  • 6.3.1 重建D_s~(*+)117-119
  • 6.3.2 部分重建D_(s0)~*(2317)~-119
  • 6.3.3 优化选择条件及本底研究119-120
  • 6.4 测量绝对分支比120-123
  • 6.5 系统误差分析123-126
  • 6.5.1 绝对分支比B(D_(s0)~*(2317)~-→π~0D_s~-)的系统误差123-125
  • 6.5.2 质量测量的系统误差125-126
  • 6.6 总结与讨论126-127
  • 第七章 精确测量e~+e~-→ D_s~+D_s~-的截面127-145
  • 7.1 研究背景及简介127-128
  • 7.2 数据样本和MC模拟128-130
  • 7.3 分析方法130
  • 7.4 事例选择条件130-133
  • 7.5 提取信号事例数133-138
  • 7.5.1 大样本数据135
  • 7.5.2 扫描数据135-138
  • 7.6 玻恩截面测量138-140
  • 7.6.1 辐射修正138-139
  • 7.6.2 合并重建D_s~+和D_s~-测量结果139-140
  • 7.7 系统误差分析140-141
  • 7.8 总结与讨论141-145
  • 第八章 总结与展望145-149
  • 参考文献149-157
  • 博士期间发表的论文157-159
  • 致谢159-161
  • 附表161

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