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重强子半轻和稀有衰变对于检验标准模型,提取其中的基本参数及寻找超出标准模型的新物理起着非常重要的作用。重夸克有效场论(HQEFT)提供了研究包含一个重夸克(b或c)的强子系统的有力工具;由于不涉及末态相互作用,半轻衰变(包括末态只含有一个强子的稀有衰变)在理论和实验方面都很干净,模型的依赖性比较小。具体来说,在树图阶可以实现的半轻衰变对新物理不敏感,可以用来抽取标准模型的基本参数,而圈图引起的稀有衰变对新物理比较敏感,适合用来检验标准模型和寻找超出标准模型的新物理。
本文在重夸克有效场论的框架下研究重强子半轻和稀有衰变问题,主要包括以下几个方面的内容:
1.重介子到轻介子跃迁形状因子的系统计算。用光锥求和规则的方法,在重夸克展开的领头阶我们系统计算了重到轻介子的跃迁形状因子。我们更新了与实验相关的一些参数,考虑所有轻介子分布振幅直到扭度4(包括高共形自旋分波的贡献)和轻介子质量修正。最为重要的是,我们统一考虑所有相关衰变道,从而进一步减少了自由参数的数目。虽然有些衰变道的形状因子已经在完整QCD理论中进行了计算,但用重夸克有效场论重新计算仍有它的优越性:一,在重夸克展开的领头阶,重夸克质量不出现在形状因子的表达式中,它用一个重味无关的参数(A)(即重味无关的束缚能)来描述重介子系统,从而使我们可以更加方便的研究具有相同末态的不同重介子跃迁形状因子之间的关系。二,利用在重夸克展开领头阶得到的在整个动力学允许的区域内都成立的一组普遍关系(类似于Isgur-Wise关系),企鹅类型的形状因子可以由半轻类型的形状因子直接得到,因而减小了由于在大动量转移区域内参数化形状因子所引起的不确定性。三,在HQEFT的框架内,形状因子表达式中高扭度轻介子分布振幅的贡献自动伴随一个量级为1/mM的压低因子(mM为初态重介子的质量),从而我们可以更安全的忽略更高扭度轻介子分布振幅的贡献。
2.跃迁形状因子在重到轻介子半轻和稀有衰变中的应用。在上一步形状因子的基础上,我们计算了重到轻介子半轻和稀有衰变各相关衰变道的分支比,并利用目前实验上测量的比较好的几个衰变道抽取了重要的CKM矩阵元|Vub|、|Vcs|、|Vcd|。考虑轻介子分布振幅直到扭度-4,通过衰变道B0→π-e+ve和B0→ρ-e+ve,我们抽取的CKM矩阵元|Vub|的平均值为|Vub|=(3.47±0.56)×10-3,并将其用于其它相关衰变道分支比的计算。作为比较,若只考虑扭度-2的轻介子分布振幅,通过衰变道B+→ρ0e+ve,我们抽取的CKM矩阵元|Vub|=(3.72+0.21+0.42-0.18-0.52)×10-3,也同样用它来计算其它相关衰变道的分支比。我们关于分支比的计算结果在误差允许的范围内与现有实验一致,有一些衰变道的分支比很接近于目前实验的上限因而可以被以后更为精确的实验所检验。
3.重强子到重强子单举衰变轻子谱末端反常行为问题的研究。与传统的重夸克有效理论(HQET)不同,重夸克有效场论(HQEFT)通过引入“缀饰”的重夸克的概念,使我们可以在重强子衰变中把轻自由度的非微扰束缚效应包括进来,从而对b强子寿命比问题给出很好的解释。然而重夸克展开在轻子能量Ee~mb/2时失效,导致轻子谱末端出现反常行为。在以前的文献中,末端效应对寿命比等可观测量的影响一般认为很小,因而没有详细研究,只是简单的忽略掉。本文利用一种曲线拟合的方法来处理这一问题,计算结果表明轻子谱末端行为对整个衰变宽度的影响确实很小,我们以前在忽略末端效应的情况下用重夸克有效场论来处理b强子寿命比问题是合理的。另外,在考虑末端效应的基础上,我们更准确的预言了b强子的寿命比等可观测量,并抽取了CKM矩阵元|Vcb|。