高亮度正负电子对撞机上Bc介子的产生性质

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本文在非相对论量子色动力学(NRQCD)的理论框架下系统研究了Bc介子及其激发态在高亮度正负电子对撞机(如超级Z-工厂)上的产生性质。由于共振效应,当正负电子对撞机的对撞能量取为Z0-玻色子质量或其附近时,Bc介子产生的事例数将有极大的提高,这为我们研究Bc介子性质提供了一个很好的平台。  近期国内部分理论物理学家提出建造亮度高达1034~1036cm-2s-1且对撞能量在Z0共振峰附近的正负电子对撞机方案(超级Z-工厂)。结合超级Z-工厂具体实验条件,本文在NRQCD理论框架下详细讨论了正负电子湮灭产生Bc介子的过程,*0)/|(e e Z bc cb,其中的(cb)-夸克偶素可处于颜色单态的S波态或P波态,或是处于颜色八重态的S波态,它们几乎都可以通过电磁过程100%的衰变到基态Bc介子。利用NRQCD因子化公式,我们可将该过程的产生截面因子分为两部分:一是微扰 QCD理论可以计算的短程部分,即硬过程*0/ee Z cb bc;一是非微扰但普适的长程矩阵元,表征自由夸克cb形成(cb)-夸克偶素的跃迁几率。非微扰长程矩阵元通常可由实验确定,但对于其中的颜色单态矩阵元可将它们与束缚态零点波函数或零点波函数的导数关联起来,而后者可由位势模型计算得到。对于硬过程振幅,我们将采用改进后的振幅求迹方法来处理,由此我们得到简单及解析的振幅表达式。这相比于传统的振幅模方方法是一个很大的进步,因为传统的方法由于夸克质量的效应很难得到解析结果。特别是,作为该过程的核心,本文利用振幅直接求迹方法,详细讨论了Z0玻色子衰变产生Bc介子的过程,Z0|(cb)bc,的具体物理效应。  除了计算这两类过程的产生截面和衰变宽度,本文还估算了过程当中涉及到的底夸克和粲夸克质量变化所导致的不确定性,以及当正负电子对撞能量偏离Z0共振峰时,所导致的产生截面不确定性。研究结果表明在超级Z-工厂实验条件下,每年可以积累大约104~106个Bc介子事例数。利用这些Bc介子事例,我们可以在实验上对Bc介子各种性质进行深入研究。超级Z-工厂无疑将成为除欧洲核子中心大型强子对撞机之外研究双重味Bc介子的有用平台。  基于理论计算结果,我们进一步整理并撰写了可用于事例数模拟的产生子程序BEEC。该程序按PYTHIA的格式编写,作为一个外部程序,它可以方便的调用PYTHIA内部过程及机制来处理产生的事例。该产生子程序利用RAMBOS以及VEGAS子程序来完成相空间的产生以及相空间的积分。我们提出了多种模拟事例产生的机制,如通过舍选法从带权重事例中舍选得到不带权重的事例,由此可借助PYTHIA完成后续的强子化等过程得到高效的模拟产生结果。
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