本文内容包含两个部分。第一部分是研究重夸克偶素产生唯象学，第二部分是研究如何实现单圈散射振幅的自动化计算。　　在第一部分重夸克偶素产生唯象学中，本文主要研究了几个重要的重夸克偶素在强子对撞机和B工厂中的产生过程。这些过程提供了对于重夸克偶素产生中有争议的色八重态(CO)机制的关键检验，同时这些过程也给物理学家提供了很好的机会去研究了解还比较少的非微扰量子色动力学(QCD)物理。　　因为重夸克偶素产生过程是一个典型的多标度物理过程，其产生截面通常被认为可以因子化为由微扰QCD可以计算的短程部分和普适的非微扰长程部分。不同的因子化定理能够给出对于描述重夸克偶素产生过程的不同的模型。目前描述重夸克偶素产生和衰变最成功的理论是非相对论量子色动力学(NRQCD)。但是该理论预言的色八重态机制在重夸克偶素产生过程中是否重要一直备受争议。特别是领头阶的NRQCD预言的ψ强产生过程中的横极化结果和实验完全矛盾，使得人们怀疑在重夸克偶素产生过程中是否需要色八重态机制。另外在重夸克偶素产生过程中由于有运动学因素的提高，微扰QCD的次领头阶分析经常是必要的。所以本文需要对QCD次领头阶修正对各种过程的影响做系统的分析。　　本文首先研究了prompt J/ψ和ψ(2S)在强子对撞机上的产生。主要通过在非相对论量子色动力学框架下在微扰QCD的次领头阶水平来研究它们在强子对撞机上的产率和极化。本文考虑了色单态和所有重要的色八重态的贡献。对于promptJ/ψ，还包含了来自于高激发态跃迁的贡献。本文利用最少的实验数据输入来抽取非微扰的色八重态矩阵元并给出理论预言。本文比较了理论结果和在美国费米实验室(Fermilab)的Tevatron和在欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)上的测量的实验数据。发现本文的结果和实验数据，包括产率和极化，在大横动量区域是吻合的。本文的分析表明色八重态机制在ψ的强产生过程中起着决定性的作用并且次领头阶结果能够完全改变ψ的极化行为。这是到目前为止，最完全并且和强子对撞机上的实验符合得最好的结果。　　同时本文也计算了一些在xc强产生过程中的关键的极化观测量在微扰QCD次领头阶的结果。这些观测量可以提供非常好的对色八重态机制的检验，因为色单态模型在xc产生过程中会有不能消除的红外发散，并且xc相对于ψ有更少的未知的非微扰矩阵元，这使得xc的产生具有很强的预言能力。本文把xc的强产生产率和实验数据进行了比较，发现能很好的符合。同时第一次在QCD的次领头阶水平给出了xc的极化观测量的预言。因为从ψ的分析来看，其极化对色八重态的敏感度要远大于其产率。我期待着将来LHC上的实验对xc极化的测量能够提供对色八重态机制的关键检验。　　另外，本文还在微扰QCD的框架下研究了唯象学上有趣的双重夸克偶素在LHC上的产生过程，计算了次领头阶的实修正，并且把理论结果和LHCb的测量结果进行了比较。本文第一次指出了在双重夸克偶素产生过程中QCD修正在中间横向动量和大横向动量区域都将会非常重要。QCD修正会大大提高其产率并且会完全改变矢量重夸克偶素的自旋。另外，本文指出了目前的LHCb测量的J/ψ对的实验数据还不足以说明有明显的双部分子散射(DPS)信号。　　所有这些强产生过程中次领头阶QCD修正都是非常重要的，因为pT提高的新的拓扑结构只在高阶修正中出现。从本文对单个重夸克偶素强产生过程的研究中发现NRQCD因子化公式在小动量转移区域可能是不适用的。而在大横动量区域，对于单个重夸克偶素的强产生过程中色八重态贡献是决定性的。　　为了重新审视小动量转移区域的重夸克偶素产生机制，本文进一步研究了prompt J/ψ在B工厂中的产生。除了QCD修正和相对论修正，本文发现初态辐射(ISR)效应在e-e+→J/ψ+gg的色单态(CS)产生过程中也是非常重要的。这个效应大约能相对提高其截面15-25％（和QCD修正与相对论修正差不多大）并且能够软化J/ψ的动量谱。通过和最新的BELLE测量数据进行比较，本文发现色单态贡献已经饱和了实验数据，当然这是在假设σ（e-e+→J/ψ+gg）=σ(e-e+→J/ψ+Xnon-(∞))之下得到的。因为该过程是一个小动量转移的过程。如果NRQCD长程矩阵元是普适的，这就进一步支持了本文的设想，即NRQCD的色八重态因子化在小动量转移区域可能是不适用的。在该区域，色单态机制也许占统治地位。　　本文还发展了一套树图水平上的蒙特卡洛事例生成器HELAC-ONIA来研究重夸克偶素物理。该生成器已经被广泛的验证过并被成功应用到了上面所述的所有的重味夸克偶素产生过程。这是世界上第一个（也是到目前为止唯一一个）基于高效的递归关系来计算重夸克偶素产生振幅的蒙特卡洛生成器。该生成器已经发表，可以在它的网站上下载。　　在本论文的第二部分中，本文主要研究了如何高效实现自动化的单圈散射振幅计算。现代对撞机物理早已进入精确测量领域。在LHC上对于标准模型的检验和对于超出标准模型的新物理信号的寻找都会强烈依赖于对于巨大的背景的精确理解和预言。因此所有这些研究都至少应该基于微扰的次领头阶水平。而在次领头阶计算中，单圈散射振幅计算在很长一段时间都是国际上公认的难点和瓶颈。由于最近十年在圈图计算算法上的巨大发展和对散射振幅的新的理解，大家见证了所谓的“次领头阶革命”。本文充分利用新的现代技术，并基于广泛使用的树图水平的生成器MADGRAPH5，发展了一套高效率的单圈散射振幅计算程序。该程序被命名为MADLOOP5。我和我的合作者把MADLOOP5设计为具有很广的应用范围的程序，它可以被应用到任何量子场理论中做任何类型的量子修正。它成为了MADGRAPH5_AMC@NLO框架的重要组成部分。之后本文描述了MADGRAPH5_AMC@NLO框架，在该框架下可以自动处理2→4的过程的树图水平和次领头阶水平的微分截面计算，并且自动匹配到部分子簇射(partonshower)蒙特卡洛生成器，还能够把匹配的不同部分子多重度的样本事例合并到一起。该部分中本文也给出了几个代表性的2→4过程的QCD次领头阶修正的结果，其中有一些是全新的，而其余的其他很多过程在QCD次领头阶加上部分子簇射匹配后的水平上也都是第一次被给出。在这一框架中我和我的合作者们计算并且验证了文献中已有的绝大部分标准模型过程的QCD次领头阶的结果，这是到目前为止在一个框架中在次领头阶水平计算过程最多的计算程序。该框架已经被LHC上的ATLAS和CMS实验组所广泛使用。它实现了大家利用几个简单的命令来在次领头阶水平做唯象学分析的梦想。这一世界上第一次完全的自动化次领头阶计算的实现，意味着目前对撞机物理的前沿已经被推进到了下一阶，也即次次领头阶。