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《重庆大学》 2011年
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高能对撞机上重味强子的产生性质

张家伟  
【摘要】:物质基本组成粒子—夸克之间的相互作用可由量子色动力学(QCD)理论来描述。在高能物理中,重味强子产生和衰变性质的研究是人们认识强相互作用的重要窗口,同时也是研究微扰QCD和非微扰QCD理论的一个重要平台。无论是理论物理学家还是实验物理学家都对其倾注了极大的热情,这使重味强子的研究成为当前高能物理领域的重要研究内容。本文利用微扰量子色动力学理论(PQCD)研究两种不同类型的重味强子B_s介子和(?)_(bc)重子的强产生性质。 本文系统研究了B_s~((*))介子在固定味道数方案(FFNS)和考虑质量效应的变味道数方案(GM-VFNS)下的强产生性质。在强子对撞环境下,FFNS认为在强子内部的部分子分布中轻部分子(胶子和轻夸克)的分布是占主要的,对应的强产生硬子过程只需考虑胶子-胶子熔合过程和轻的夸克-反夸克湮灭过程等;而GM-VFNS则认为在强子内部除了轻部分子以外,还需考虑重夸克成分的贡献。不管是在那种方案下,对B_s~((*))介子强产生贡献最大者是胶子-胶子熔合机制。我们首先在FFNS下完成了胶子-胶子熔合机制子过程g+g→B_s~((*))+b+(s|—)的处理(α_s~4阶),并给出B_s~((*))介子在强子对撞机TEVATRON和LHC上强产生截面。然后进一步考虑了GM-VFNS下, B_s~((*))介子在胶子-胶子熔合机制和重夸克(主要是外禀b夸克)机制下的产生情况,适当处理两种机制所存在的双重计算问题。结果表明, B_s~((*))介子在强子对撞机TEVATRON和LHC上都有可观的产生截面。另外,我们还比较了两种方案下, B_s~((*))介子的产生性质。结果表明,虽然在小横动量区域,两者区别较大,但在大横动量pT的区域,两种方案的预言基本一致。 同时,我们定量研究了强子对撞机TEVATRON和LHC上B_s~((*))介子强产生过程中所涉及到的不确定性。理论估算不确定性的主要来源包括B_s~((*))介子束缚态参量,如衰变常数f_(Bs),组成夸克质量以及B_s介子质量m_s、m_b和M B_s;部分子分布函数;跑动耦合常数α_s;因子化标度Q~2等。计算结果表明:s夸克质量对截面的影响较大, m_s每增加0.1GeV,相应的B_s~((*))介子产生截面减少80%-100%;而b夸克质量的影响相对较小, m_b每增加0.1GeV,相应的B_s~((*))介子产生截面改变10%左右。部分子分布函数和因子化标度引起的变化为1 5到1 3的范围。为给实验模拟B_s~((*))介子强产生提供有效参考,我们还给出了各种实际截断条件下强子对撞机TEVATRON和LHC上B_s~((*))介子强产生微分截面分布,并讨论了各种运动学截断对强产生总截面的影响。 另一方面,考虑到重子在大型强子对撞机LHC上的产生和观测前景,本文系统研究了(?)~(bc)重子强产生性质,并给出了在大型强子对撞机LHC质心能量分别为S~(1/2)=7TeV和S~(1/2) =14TeV时,(?)_(bc)重子强产生总截面数值以及各种微分截面分布。计算结果表明,在LHC质心能量为S~(1/2)=7TeV,(?)_(bc)重子横动量截断和快度截断分别为p_T>4.0GeV和|y|<1.5的条件下,LHC上每年约产生1.7×10~7个(?)_(bc)重子事例;而当质心能量进一步提升到S~(1/2)=14TeV,同时亮度也提高的情况下,在相同的截断条件下,每年约会产生3.5×109个(?)_(bc)重子事例。我们还给出了LHC上三个主要的探测器CMS、ATLAS和LHCb在各自的实验环境下,(?)_(bc)重子的四个diqark态(bc)_((3|-))[~1S_0]、(bc)_6[~1S_0]、(bc)_6[~3S_1]、(bc)_((3|-))[~3S_1]和总的强产生截面以及各自的微分截面分布,并讨论了(?)_(bc)重子强产生过程中,各种因素带来的理论计算不确定性。 以此为基础,我们对三种双重味重子(?)_(cc)、(?)_(bc)和(?)_(bb)在LHC上不同质心能量下的强产生总截面及微分分布做了简单比较。结果表明在横动量截断和快度截断分别为p_T>4.0GeV和|y|<1.5的的情况下,三种重子的总截面大小关系是σ(?)_(cc)>σ(?)_(bc)>σ(?)_(bb),但(?)_(cc)、(?)_(bc)重子的强产生总截面基本在同一个量级上,甚至在横向动量截断p_T>9.0GeV的区域,(?)_(bc)重子的微分截面分布还大于(?)_(cc)重子的微分截面分布。根据这些结果,可以预计双重味(?)_(bc)重子在LHC上将会有相当可观的事例数,值得做进一步的理论与实验探讨。
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