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重味介子产生和OZI禁戒衰变的研究

李刚  
【摘要】: 重夸克偶素和B_c介子是由两个重味夸克组成的重味介子。重味夸克之间的相互作用是强相互作用,由量子色动力学来描述。对重味介子的研究一直是粒子物理学中的重要工作内容之一。在高能物理中,重味介子的产生和衰变实验对微扰QCD(量子色动力学)和非微扰QCD提供了重要信息,通过对重味介子产生和衰变过程的研究可以加深我们对强相互作用的理解。 众所周知,束缚态的强子化发生在能标Λ_(QCD)附近,一般来讲,只有在作用能量远大于Λ_(QCD)(或者说距离远小于1/(Λ_(QCD)))的情况下才能用微扰论来处理。由于对非微扰QCD问题缺少精确的理论和方法来处理,目前还不能从QCD理论出发可靠地计算非微扰问题,而是通过理论数据与实验的拟合,从中提取一些基本非微扰参数来研究理论相关的机制,因此在处理束缚态的过程中对微扰部分的精确计算有利于提高我们理论预言的准确度,有助于我们对非微扰部分的理解。在第一章中我们简单介绍了标准模型,以及在非微扰处理中应用非常广泛的光锥场理论和非相对论QCD。第二章详细介绍了计算辐射修正时处理红外发散、库仑发散以及P态非微扰发散的方法,包括虚修正中库仑发散的解析处理和红外发散的分离,以及利用两截断相空间分割法来计算实辐射修正和非微扰算符的重整化。 重味介子OZI的禁戒衰变:J/Ψ→η′(η,π~0)γ,r→η′(η,π~0)γ和B_c~-→η′(η,π~0)l-(?)是研究束缚态问题的重要平台,对其进行精确计算不仅能加深我们对于微扰QCD中OZI定则的理解,而且对微扰部分的精确机算得到精确的理论结果有助于我们对非微扰部分的理解。在第三章中我们给出了这几个过程精确计算,在轻介子η′(η,π~0)的处理上我们采用因子化方法处理,引入了光锥波函数。在微扰QCD计算部分我们不作任何近似,而是通过精确计算五点、四点费曼积分函数求得。在重夸克偶素辐射衰变J/Ψ→η′(η,π~0)γ和r→η(π~0)γ计算中,我们可以看到在参数取值的合理空间内,三种光锥波函数算出的结果能和实验符合得很好,而在r→η′γ衰变过程中我们发现我们的理论预言远远大于实验上限这一反常结果。这一反常问题的原因和解决值得我们作进一步研究,很多人已经在这方面作出了探索,并取得了一些成果[131,132]。在B_c~-→η′(η,π~0)l-(?)衰变中我们发现,B_c~-介子的这三种衰变模式的分支比在10~(-7)-10~(-4)量级上,这一结果将在未来的强子对撞机上的得到检验。 由于强子对撞机上重味介子产生过程的初态是参与强相互作用的夸克或胶子,因此反应截面的微扰部分领头阶(Leading Order)结果包含很大的理论上的不确定性。而对理论结果与精确的实验测量的拟合要求理论计算给出尽可能精确的预言。在包括微扰部分次领头阶(Next to Leading Order)修正后,理论预言的不确定性会大大降低,以保证我们拟合出来的非微扰参数具有普适性。因此计算强子对撞机上束缚态产生过程的次领头阶量子色动力学(NLO QCD)修正就变得非常重要,而且NLO QCD修正的计算是一件复杂而富有挑战性的工作。在第四章中,我们部分计算了强子对撞机上J/Ψ和规范玻色子W伴随产生过程的NLO修正。这一过程由于好探测,并且其树图截面相对比较大,能够在未来的加速器LHC上详细研究,并且,我们发现,在微扰QCD的计算中,直到α_s的次领头阶它都是一个纯色八重态过程,这个过程是以~3S_1~((8))道为主,是我们研究色八重态机制的重要过程。 本论文的创新之处在于以下几个方面: ·在重味介子OZI禁戒衰变过程计算中,对微扰QCD计算部分我们不作任何近似,而是通过精确计算五点、四点费曼积分函数求得。与以前处理轻介子时采用弱耦合近似不同,我们采用了更能表述轻介子物理图景的因子化方法,引入了光锥波函数处理轻介子的强子化。 ·本文首次通过理论精确计算了同位旋破缺过程J/Ψ(r)→π~0γ、B_c~-→π~0l~-(?)和SU(3)破缺的衰变J/Ψ(r)→γη_8、B_c~-→η_8l~-(?),得到了目前这些反应过程的微扰计算部分最精确的理论预言,对这些过程的精确研究可以加深我们对QCD理解,尤其是对非微扰QCD中光锥波函数的理解。 ·与传统的利用胶子质量正规化消除红外发散不同,在NRQCD理论下,本论文首次在计算强子对撞机上J/Ψ与规范玻色子W伴随产生过程NLO QCD修正时统一采用维数正规化方案来正规化紫外发散、红外发散以及P态非微扰发散。这样人们可以很容易地在解析结果中明确检验各种发散的消除,从而得到有限的结果。 ·本论文在计算实胶子和实轻夸克辐射修正时,采用两截断相空间分割的方法,这种方法是目前国际上在重夸克偶素产生过程的NLO QCD计算时所采用的精确度最高的计算方法之一。


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