PQCD因子化方案下Bs介子半轻衰变过程的唯象研究

来源 :南京师范大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:zhrwudi
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时至今日,粒子物理的标准模型依旧是高能物理领域最重要的成就之一。这个高度优雅的理论根据基本粒子的性质,将其作了分类,并对它们基本相互作用的方式给出了描述。标准模型从二十世纪六十年代发展起来,迄今为止已经经受住了无数实验的挑战。其中最近的一次成功是由欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上的ATLAS和CMS合作组于2012年给出的对于Brout-Englert-Higgs场存在的实验验证。在那一年,这两个实验几乎同时探测到了BEH场的量子激发,也就是著名的希格斯玻色子。尽管标准模型在亚原子层面给出了对自然最准确的描述,但这个量子场理论被普遍认为是某一个更基础理论下的低能有效理论。毕竟,标准模型仅仅才描述了整个宇宙的5%。因此,任何标准模型的理论预言与实验结果的不符合都会成为点燃“找寻超出标准模型新物理”这一巨大激情的导火索。而无论是对于标准模型的精确检验抑或是找寻可能的新物理信号来说,在重味物理领域研究B介子的稀有衰变时,高精度唯象学分析都是十分必要的。本文的首要研究对象是B介子半轻衰变领域里的味道改变的中性单举过程,研究动机是最近的LHCb和Belle合作组在味道改变中性流过程B→K*+-中发现的实验测量相对于标准模型存在明显的偏离。因为这类衰变过程是由味道改变中性流的跃迁所诱导产生的,所以在标准模型下是被严重压低的过程,而我们尝试去验证是否上面提到相对标准模型的巨大偏离是真实存在的,是否是轻子味道普适性破缺以及超出标准模型的新物理的信号。因此,我们主要的关注点就被转移到类似的过程,比如夸克层次为b→d+-跃迁的Bs→K*+-强子过程,以及与实验报道在夸克层次同为b→s+-跃迁的Bs→φ+-强子过程,这些衰变道是我们做唯象学分析的重点。其主要的研究思路为,借助微扰QCD(PQCD)因子化方法,来可靠地确定形状因子的初始条件以及演化行为,这样一来,B介子半轻衰变单举过程的许多物理可观测量就可以得到预言。在本论文中,我们对半轻衰变过程Bs→K*+-和Bs→φ+-做了系统的唯象学研究,其中-=(e-,μ-,τ-)。采用的方法是基于kT因子化定理的PQCD因子化方法。在论文的第一章,我们对粒子物理的标准模型做了简单介绍,还介绍了味物理、尤其是重味物理的研究现状。在论文的第二章,我们详细介绍了标准模型的基本理论框架,基本粒子谱,CKM混合矩阵,电弱对称性破缺机制和强相互作用的渐近自由和夸克禁闭效应。我们重点介绍了B介子物理:包含B介子产生、混合,B介子的各类衰变过程的分类,B介子系统CP破坏,低能有效哈密顿量。我们还着重讨论了强子矩阵元计算使用的几种主流因子化方法。在第2.5节,我们对PQCD方法做了全面、细致的介绍:包含如何消除端点发散和B→π跃迁形状因子的计算。论文的主要部分是第三章和第四章,包含了作者对Bs→(K*,φ)+-衰变过程的主要研究结果。在论文的第三章,我们对半轻衰变过程Bs→K*+-做了系统的唯象学研究。在对此衰变道的研究中,我们采用Breit-Wigner的形式系统地考虑了中间共振态的影响,并借助PQCD因子化方法推导出的Bs→K*形状因子以及采用Bourrely-Caprini-Lellouch(BCL)参数化方法进行形状因子的外推,由此形状因子相关的衰变振幅就能预言众多的物理可观测量,比如微分衰变率(分支比),直接CP破坏,轻子的前后不对称性等。此外,我们还发展了一种方法,称之为“PQCD+Lattice”(微扰QCD结合格点QCD的端点输入)因子化方法,这种方法是一种基于PQCD因子化方法,并通过引入大q2区域的格点QCD形状因子的结果作为输入以此增强外推可靠性的方法。对于末态为矢量介子的情况,我们还讨论了该过程对应的四体衰变Bs→K*(→Kπ)+-的角分布情况,并且构造了形状因子无关的可观测量。我们基于PQCD因子化方法和“PQCD+Lattice”因子化方法得到的理论预言相互符合,并且和基于其他理论模型得到的理论结果做了对比和讨论。在论文的第四章,我们对与味道改变中性b→s跃迁对应的半轻衰变过程Bs→φ+-做了系统的计算和唯象学研究。我们把对Bs→K*+-衰变过程的研究结果推广到对Bs→φ+-衰变过程的研究中。与第三章不同,我们采用了由Chetyrkin,Misiak和Munz(CMM)所定义的新的算符基底:也就是所谓的γ5-free基,其目的是在使用维数正规化与完全反对易的γ5进行结合时避免高阶计算涉及到的技术上的困难。我们计算了半轻衰变Bs→φ+-过程的衰变分支比、CP破坏、前后不对称性和角分布相关的物理可观测量,给出了理论预言。对于已经有部分实验测量结果的Bs→φμ+μ-衰变道,我们还计算了衰变分支比等多个可观测物理量在几个q2区间内的值。我们采用与LHCb合作组相同的q2分区区间,发现我们的理论预言值和LHCb的实验测量结果在误差范围内符合。更多的理论结果将在未来的LHCb和Belle-II实验测量中得到检验。在论文的第五章,我们对论文内容做了总结,并对B介子物理未来的发展做了展望。在论文的附录部分,我们给出了本文计算所使用的输入参数,还给出了重整化群演化方程和威尔逊系数的具体表达式。
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