重味奇特强子态的产生及谱学研究

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传统夸克模型将强子分为由三个夸克构成的重子和由一对正反夸克构成的介子。不能由传统夸克模型解释的强子通称为奇特强子。这些奇特强子是未被量子色动力学所排除的,它们包括多夸克强子、受耦合道效应影响明显的强子等。势模型曾对普通重子和介子的性质给出了很好的解释和预言,但2003年以后,实验上陆续发现X(3872)、Y(4260)、忍(3900)等30多个超出夸克模型的重味奇特强子。LHCb实验组曾公布两个隐粲强子态Pc(4380)和Pc(4450),最近利用统计量更高的实验数据确认了三个五夸克强子态Pc(4312),Pc(4440)和Pc(4457)的存在。这些奇特强子的发现引起了人们的广泛关注。为了理解这些奇特强子态的结构,人们提出了多种解释:1)对XYZ强子所做的紧致四夸克态(tetraquark)解释、双夸克—反双夸克(diquark-antidiquark)解释和双介子的分子态解释(molecular scheme)等;2)对奇特重子如隐粲只所做的紧致五夸克态(pentaquark)解释、多夸克团解释、介子—重子分子态解释等:3)在胶子的自相互作用下形成的胶球(glueball)、夸克胶子混杂态(hybrid state)也是奇特强子结构可能的解释;4)耦合道效应的存在会引起具有相同量子数和相近质量的若干Fock态形成叠加态,导致强子态异常质量的出现,这是对奇特强子态的另一种解释。奇特强子态的发现扩展了我们关于强子的视野,提供了加深对强相互作用认识的重要窗口,因此系统研究奇特强子的质量谱、产生、衰变等性质对理解夸克禁闭的原因以及夸克和胶子是如何构成强子的这一根本问题具有重要意义,是人们理解强相互作用本质的重要途径。本论文的主要目的就是研究奇特强子态(特别是紧致的五夸克态和四夸克态)的质量谱和性质及其产生机制。实验上观测到的隐粲五夸克强子Pc的夸克组成为ccuud,它是由A,,衰变产生的,部分子级的直接产生很可能是它的另一种产生机制,本论文研究了Pc(4380)在正负电子对撞机上不同能区的产生过程。新强子态的寻找对理解强子结构意义重大,若对Pc态进行轻重夸克互换,可以得到Pc的镜像态QQQqq(Q=6、c,q=u、d、s),本论文在色磁相互作用(CMI)模型的框架下对这种体系存在的可能性、质量谱和稳定性等进行了详细研究。此外,X(5568)是D0实验组观测到的包含四种不同味道夸克的奇特介子,尚需其它实验组确认其存在,本论文在相同的理论框架下对这一可能存在的新结构做了系统研究。本论文的研究结果包括两部分,现将它们概括如下:一、正负电子对撞机上五夸克态Pc(4380)的产生本文研究了以下两个Pc(4380)的产生过程:研究结果表明,在质心系能量为10.6 GeV(KEK B工厂)和91.2 GeV(Z玻色子共振能区)时,可能存在Pc(4380)产生的明显信号。在10.6 GeV能量下,过程(1)具有较大的散射截面(152.7 fb),过程(2)的贡献可以忽略不计;在91.2 GeV能量下过程(2)的截面值约为300 fb,过程(1)仅贡献了约10 fb。此外,我们系统地研究了产生截面对强子化矩阵元、末态Pc散射角度、粲夸克对自旋、伴随产生的夸克对种类以及散射子振幅的依赖性。我们的研究结果表明,在正负电子对撞机上寻找隐粲五夸克态Pc是可行的。二、奇特强子态的质量谱及其性质本文系统研究了含有三个重夸克的五夸克态QQQqq的色磁能,得到了该体系的质量谱,对所有质量本征态的稳定性做了分析,发现由于夸克间没有提供足够的吸引导致这些本征态难以形成紧致的窄宽度五夸克态且均可发生重排衰变,这表明QQQqq系统更倾向于具有束缚较浅的分子态结构。我们还基于QQQqq体系的质量谱得到了所有基态三重重子QQQQ的质量上限。本文系统地研究了含有四种不同味道夸克的四夸克态系统q1q2q3q4的质量谱,发现该体系内部轻夸克间较强的相互作用引起了较大的色磁能劈裂,导致谱中较低本征态的质量低于相应的阈值介子质量之和,这表明该系统可形成窄宽度的紧致四夸克态,这些态具有通过实验寻找的价值。我们发现busd体系的质量高于实验所公布的X(5568)质量,这一结果不支持X(5568)的存在。此外,本文对多夸克态内部的等效吸引与排斥、有效夸克质量对强子环境的依赖和重排衰变的分支比等问题做了详尽的分析和讨论。
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