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PQCD因子化方法下B_s介子两体非粲强子衰变的次领头阶修正研究

严大程  
【摘要】:在过去的几十年中,粒子物理的标准模型得到了飞速的发展。尤其在2012年7月,ATLAS和CMS实验组发现的希格斯(Higgs)玻色子更标志着标准模型获得了巨大的成功。由于B介子(Bu,d,B,Bc)比较重,有丰富的衰变道可以研究,对这些衰变道的研究可以帮助人们精确检验标准模型、寻找B介子系统的CP破坏以及探寻超出标准模型的新物理信号,具有十分重要的科学意义。在实验上,早期的两个B介子工厂BaBar和Belle实验组收集了大量的B介子(主要为B(u,d)介子)产生和衰变事例,观测到了 B介子系统存在较大的CP破坏,同时测量了很多稀有衰变道的衰变分支比、CP破坏和极化分数等物理可观测量,总的来说实验的测量值和标准模型的预言在误差范围内是符合的很好的,并没有发现明显超出标准模型的新物理。从2009年开始,随着大型强子对撞机LHC投入运行,除了B(u,d)介子以外,越来越多的Bs/Bc介子产生和衰变事例被LHCb实验组收集,一些小分支比的衰变道也已被观测到。未来随着LHCb和Belle-Ⅱ的进一步运行,将把B介子的事例数提高约两个数量级,这将促使B物理研究进入一个新的“黄金时代”。在理论方面,B介子物理理论研究的核心部分为强子矩阵元的计算。由于B介子衰变过程的动力学十分复杂,目前为止仍然没有一种完全自恰的方法,但存在几种基于QCD动力学的主流方法:即QCD因子化(QCDF)方法、微扰QCD(PQCD)因子化方法以及软共线有效理论(SCET)。本文基于PQCD因子化方法,对所有Bs0→PP,PV,VV(其中P为轻赝标量介子π,K,η('),V为轻矢量介子ρ,ωK,φ)两体强子衰变做系统的研究和分析。我们将重点研究在PQCD框架下现在已知的也是主要的几种次领头阶(NLO)修正的影响,主要包括顶角修正、夸克圈修正、色磁企鹅图修正以及Bs→P跃迁形状因子的NLO修正。首先在综述部分,作者简要回顾了 B介子物理学的一些主要内容,并对一些主流的因子化方法做简要的介绍,同时将重点介绍PQCD因子化方法以及几种主要的NLO修正。论文的第三到第五章为工作部分,作者在次领头阶近似下利用PQCD因子化方法对所有Bs0→PP,PV,VV衰变道的衰变分支比、CP破坏、极化分数以及相对相位等可观测物理量做了系统的计算,通过我们的研究和分析发现:(1)对于不同衰变道的分支比、CP破坏等可观测物理量,NLO修正带来的影响是不一样的。对于已经有实验测量数据的衰变道,例如Bs0→K0K0,K+K-,η'η',π-K*+和Bs0→K0K*0,K±K*(?),π-K*+以及Bs0→K*0K*0,φφ,K*0φ,当我们考虑NLO贡献以后,对其衰变分支比的PQCD理论预言值和实验数据之间的符合程度有了明显的提高。以衰变道Bs0→π-K*+为例,我们定义了理论预言值和实验测量值的比值:R1=B(Bs0→π-K*+)exp/B(Bs0→π-K*+)PQCD。计算结果表明,当考虑NLO的贡献以后,比值由R1LO=0.52增加到R1NLO=0.83。这表明NLO修正可以有效的增强PQCD理论预言值和实验测量结果之间的符合程度。(2)对于衰变道Bs0→K+K-,π-K+的CP破坏以及衰变道Bs0→φφ,K*0→φ和K*0K*0的纵向(横向)极化分数fL(⊥)、相对相位(φ‖,φ⊥)等而言,NLO修正的影响不大(小于50%),且NLO下的PQCD理论预言值跟其他方法得到的结果以及实验数据符合的比较好。以衰变道Bs0→π-K+的直接CP破坏为例,NLO下PQCD的理论计算值为(23.8-6.5+6.4)%。这个结果跟QCDF((20.7-12.8+7.4)%)和SCET((20±25)%)的计算值以及实验数据((27±4)%)在误差范围内是一致的。(3)对于其余衰变道的分支比、CP破坏等其他可观测物理量,PQCD的理论预言值总的来说跟其他方法的计算结果在误差范围内是一致的。未来高精度的实验将帮助我们来区别不同方法之间的差异。在第六章,作者对全文做了总结和展望。对于B(s)介子两体强子衰变的高阶修正的研究仍然是未来重味物理领域的一个重要领域。对于PQCD因子化方法而言,随着更多次领头阶修正计算的完成,人们可以不断提高理论预言的精度,为大量实验数据的分析提供强有力的支持。


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