介子与四夸克态的研究

来源 :南京师范大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:gf2516
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自2003年Bell实验组发现X(3872)以来,BABAR、Belle实验组又陆续发现了大量含重味夸克(c,b)的新强子态存在的信号。因此在粒子物理学界掀起了一股研究奇特态粒子的热潮。理论上,量子色动力学(QCD)被公认为是描述强相互作用的基本理论,但是由于非微扰QCD的复杂性,完全用QCD第一性原理处理低能强子物理问题时遇到了困难。格点QCD的发展对于解决非微扰问题取得了很大的进展,但是在描述强子-强子相互作用和多夸克系统时,由于计算量的复杂与巨大,其结果并不令人满意。具有QCD主要性质的唯象夸克模型在描述强子谱、强子-强子相互作用等方面都取得了很大的成功。本文的工作就是基于唯象的夸克模型而展开,将组分夸克模型应用于两夸克和四夸克系统的研究,尝试对实验上发现的奇特介子态做出解释,并寻找可能存在的奇特态。本文将围绕以下工作进行展开。1、传统的夸克模型认为,介子是由夸克和反夸克构成,重子是由三个夸克构成,然而,通过对轻夸克部分介子能谱的计算,我们发现,在轻夸克领域,存在一些态并不能很好地用qq结构来解释,例如,量子数为JPC = 1-+的介子,实验上发现的大量的f0介子等。这些态是否也是奇特态呢?为了回答该问题,运用组分夸克模型和夸克对产生模型(3P0模型),我们对能量在2 GeV以下的轻介子的两体强衰变性质做了系统的研究,在我们的计算中,利用多高斯展开方法精确求解介子的能量,同时得到介子的波函数。在利用3P0模型计算介子的两体强衰变时,我们使用能谱计算得到的波函数,而不是大多数工作所采用的的简谐振子(SHO)函数。这样保证了计算的自洽性。由于计算的复杂和计算量较大,末态衰变粒子被限制仅为S波的介子。通过计算,我们尝试确认哪些粒子可能是奇特粒子,不能用夸克-反夸克来解释。计算结果表明,对于各家族的粒子,基态或者比较低的激发态,理论计算与实验结果容易建立对应关系,此时由于能量的限制,两体强衰变仅限于两个S波介子,但是对于高激发态,想要弄清楚其构成和性质却非易事,一方面高激发态的衰变道变得会起作用,另一方面对于高激发态,真空中可以产生一对正反夸克对,高Fock空间的成分可能会变得重要,需要非淬火(unquenched)夸克模型来解释这些态。因此需要更多的实验和理论工作来对这些高激发态进行归类。2、在第一个工作的基础上,为了进一步研究轻介子领域的奇特态,我们选取一个系列ρ/ρ3介子,通过研究其所有的两体强衰变性质(不再限制末态粒子为S波的介子)来进一步研究哪些粒子不能用qq结构来解释,而是是奇特态。实验上已经发现了很多ρ/ρ3粒子,但是它们的性质却很模糊,因此对ρ/ρ3粒子的研究可以帮助我们对实验上发现的这些态进行归类,为更好的完善轻介子能谱做好充足的准备。在该工作中,运用组分夸克模型和3P0模型系统研究了能量低于2 GeVρ/ρ3粒子的两体强衰变性质,末态衰变粒子不仅包括S波介子,还包括处于激发态的介子。粒子的波函数同样运用多高斯展开方法解薛定谔方程得到。计算结果表明,ρ(1450)并非是qq的23S1的态,或许它是一个混杂态。ρ(1570)为13D1的态,ρ(1700)为23D1的态,但是从目前的计算,无法确定ρ(1900)是3S或者4S的态;对于ρ3粒子,我们可以安全地将ρ3(1690)作为13D3的态,并且由于1G态总的衰变宽度与ρ3(1990)的实验值接近,因此1G态可能是ρ3(1990)很好的候选者。3、2016年,D0实验组发现了新的强子态X(5568),我们将研究对象从研究轻夸克介子领域奇特态过度到对四夸克领域奇特态的研究,运用组分夸克模型对实验上新发现的奇特态进行解释。基于多高斯展开方法(GEM),采用组分夸克模型,分别在SU(3)和SU(4)对称性下,系统研究了各种结构下sudb组态的性质。介子-介子结构下,考虑了色单态、色八重态以及颜色结构耦合;在diquark-antidiquark结构下,分别考虑了3(?)3、6(?)6以及颜色结构耦合。结果表明,sudb组态下并不存在束缚态。若将b夸克用c夸克代替,对sudc组态性质进行预言,计算结果仍然是不存在束缚态。4、在对介子和四夸克体系进行充分研究的基础上,为了发展组分夸克模型,考虑非淬火夸克模型下,在介子中加入四夸克的成分,从而考虑耦合道效应对两夸克能谱的影响。首先,我们对量子数为IJP(其中I = 0,1; J = 0,1;P=-1)的非奇异夸克态进行了研究,包括π,ρ,ω,η这四个粒子,计算结果表明,对于轻夸克系统(nn,n = u,d),非对角元对能量的影响比对重夸克的影响更大,该结论与前人的理论研究是相符合的。下一步的核心工作就是调整模型参数,使耦合道效应被参数吸收,希望通过非淬火夸克模型,能够对普通介子和奇特态介子都有一个统一的描述。组分夸克模型在解释强子谱和强子-强子相互作用上取得了巨大的成功,但也遗留了一些无法解释的问题。并且,随着粒子物理与核物理的发展与进步,越来越多的奇特态被实验所证实,因此模型需要发展与改进。通过考虑隐色道效应和夸克对产生效应以及引入多夸克体系,新强子态和遗留的一些问题可以得到解释。通过实验与理论上越来越多的数据与研究,可以加深我们对强子物理与QCD的理解。
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