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PQCD因子化方法下对B、B_s和B_c介子半轻衰变过程的唯象研究

胡学卿  
【摘要】:宇宙浩瀚,始于毫末。这“毫末”就是组成宏观物质世界的基本粒子。而专注于研究微观世界中基本粒子的组成、性质和相互作用领域的学科便是粒子物理学。在上个世纪70年代左右,量子色动力学(QCD)与电弱统一理论相继建立与发展。标准模型理论将二者相结合,发展至今已经趋于成熟。2012年7月4日,欧洲的核子研究中心(CERN)正式宣布:发现希格斯(Higgs)粒子,这一发现更是标准模型乃至整个粒子物理学科的重要里程碑。在粒子物理学众多的研究方向中,B介子物理有着举足轻重的地位。由于B介子(B/B_s/B_c)本身质量大,有着丰富且有趣的衰变道,人们常常通过研究B介子的衰变过程来精确检验标准模型、探究强子的CP破坏以及探索标准模型以外的新物理等等。在本世纪的第一个十年,美国和日本的两个B介子工厂实验采集了1700多兆B介子的产生和衰变事例,对几百个B/B_s介子衰变道做了测量,发现了B介子系统中存在CP破坏。现阶段,在欧洲的LHCb实验和在日本的Belle-II实验将提供更多更精确的的实验数据,这将为B介子物理研究的发展提供强劲的实验推动。在B介子物理学中有一个十分重要的研究领域:B介子的半轻衰变过程。对此类过程的系统研究可以用来抽取CKM矩阵元,检验轻子味道守恒定律、寻找可能的新物理信号等等。B介子半轻衰变研究中最核心也是最困难的一环,是通过计算b夸克跃迁的强子矩阵元,抽取出B介子到末态强子的跃迁形状因子。理论上有许多方法,其中主流的几种是:重夸克有效理论(HQET)、光锥求和规则(LCSR)、微扰QCD因子化方法(PQCD)以及格点QCD方法(LQCD)。这些方法各有其优势,也有其局限性。本文中,作者基于PQCD因子化方案,对B介子半轻衰变过程(B/B_s/B_c)→(D~((*)),D_s~((*)),η_c,J/ψ)lν进行了系统的计算和分析。在本文的综述部分,作者回顾了标准模型中的一些基础理论知识和B介子物理涉及的重要理论基础,介绍了PQCD因子化方法的基本理论框架并讨论了该框架下的计算方法和研究思想。论文的主体部分为第三到第五章,包含了作者的主要工作。在标准模型框架下,我们使用PQCD因子化方法,在转移动量q~2(?)0的区间内计算了B介子到末态强子的跃迁矩阵元,抽取了相应的形状因子。然后利用Bourrely-Caprini-Lellouch(BCL)参数化方程,结合LQCD理论给出的在q~2_(max)端点区域的数值结果,将形状因子延拓至全动量空间。最后通过对(B/B_s/B_c)→(D~((*)),D_s~((*)),η_c,J/ψ)lν等半轻衰变过程的物理可观测量(衰变分支比,分支比比值,τ轻子的纵向极化和前后不对称性,D~*粒子的极化分数)进行计算和分析,作者得到以下几个主要结果:(1)在计算B/B_s/B_c介子半轻衰变过程中的形状因子时,PQCD的结果在q~2(?)0的区间内变化平稳,但是在大q~2区间会随着q~2的增大而显著上升。在接近q~2_(max)的端点区域里,非微扰贡献较强,PQCD因子化方法不再适用。作者利用BCL参数化方程,将PQCD在小q~2区间内的可靠计算结果延拓到大q~2区间,并引入LQCD在末端的数值结果作为输入参数,以提高延拓的准确性。区别于传统PQCD因间比前者略小,但是在整个q~2区间内二者的区别并不明显。在考虑理论误差的情况下,这样的差别是合理的。(2)在计算各个衰变道的分支比时,使用“PQCD+Lattice”方法得到的理论预言值比基于PQCD因子化方法得到的结果大约小15%左右。考虑到单个衰变道分支比的理论误差在30%左右,这样的模型差别是合理的。由两种方法所得到的分支比比值R(D~((*))),R(D_s~((*))),R(η_c),R(J/ψ)之间的差别大约在5%左右,而单个衰变道分支比比值R(X)的理论误差也在5%左右。(3)两种方法下所计算的分支比和分支比比值,都与标准模型框架下其他理论方法得到的预言值以及已有的实验测量结果符合的很好。除了衰变分支比,作者还计算了部分衰变道的τ轻子纵向极化P_τ、τ轻子前后不对称性A_(F B)(τ)以及D~*粒子极化分数F_L(D~*)。两种方法下的计算结果与其他标准模型的理论预言值符合的很好,与已经报告的几个实验测量结果在误差范围内符合的较好。在第六章,作者对全文进行了总结,并简单介绍了自己对于B介子物理未来的展望。对于B介子半轻衰变过程的研究,由于此类过程对于检验轻子味道守恒定律的重要性,在未来几年仍将是研究热点和前沿领域之一。现有的理论对于跃迁形状因子的抽取仍然不算成熟,把不同理论相结合的方法也许会成为一种简单有效的问题解决途径。随着LHCb实验和Belle-II实验的持续进行,未来将会有更好更多的实验数据产生,将推动B介子物理唯象研究的进一步发展。


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