對(duì)奇特強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生及衰變過(guò)程的研究.pdf

1、標(biāo)準(zhǔn)模型的建立標(biāo)志著以規(guī)范理論為基礎(chǔ)的整個(gè)理論框架至少在弱電能標(biāo)領(lǐng)域已經(jīng)完成?，F(xiàn)有的各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在合理的誤差范圍內(nèi)與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言驚人地一致。標(biāo)準(zhǔn)模型在各方面的成功已使我們沒(méi)有任何理由懷疑它的正確性。 然而，與此同時(shí)，又有許多新的問(wèn)題凸顯出來(lái)。人們?cè)诓粩嗟靥角笮挛锢?。在高能或甚高能通過(guò)未來(lái)的LHC和ILC來(lái)研究包括Higgs、新的破缺機(jī)制和超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。但這些前沿的沖擊也許不如在唯象學(xué)中如何解決從夸克層次到強(qiáng)子層次過(guò)渡那

2、樣具有現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)意義。人們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域?qū)ふ倚挛锢砼c在LHC上所探求的新物理的目標(biāo)和方式是完全不同的，它主要是研究QCD的非微擾行為和新的強(qiáng)子結(jié)構(gòu)。 QCD的高能(對(duì)應(yīng)短程相互作用)和低能(對(duì)應(yīng)長(zhǎng)程相互作用以及束縛效應(yīng)和強(qiáng)子化)行為是很不一樣的。在高能情況下，強(qiáng)相互作用具有漸近自由的性質(zhì)，這已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)完全證實(shí)。QCD的漸近自由性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，為確立QCD是描述物質(zhì)世界的強(qiáng)相互作用的正確理論的地位起了非常關(guān)鍵的作用。 然

3、而，在QCD的低能情況下，強(qiáng)相互作用完全是由非微擾QCD效應(yīng)所控制。在非阿貝爾的QCD理論中，由于有膠子自相互作用的存在，膠球、混雜態(tài)以及多夸克態(tài)應(yīng)該存在。如果這些膠球、混雜態(tài)以及多夸克態(tài)能夠被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這將進(jìn)一步證明QCD的正確性，并且會(huì)使人們對(duì)QCD低能行為有更深刻的理解。然而至今，膠球、混雜態(tài)以及多夸克態(tài)仍然沒(méi)有被實(shí)驗(yàn)所完全證實(shí)，盡管存在一些候選者。這個(gè)事實(shí)需要從理論上予以合理解釋，當(dāng)然這仍然是人們探索的主要目標(biāo)之一。 強(qiáng)

4、子物理的研究涉及兩個(gè)方面，一個(gè)是強(qiáng)子態(tài)的結(jié)構(gòu)，即對(duì)強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成的研究；另外一個(gè)則是強(qiáng)子動(dòng)力學(xué)，其涉及非微擾QCD的范疇，它包括對(duì)各種強(qiáng)子譜，強(qiáng)子的產(chǎn)生和衰變的研究。但是由于它的高度復(fù)雜性，我們還不能從基本QCD拉氏量出發(fā)來(lái)進(jìn)行完整的理論計(jì)算，必須借助各種唯象模型來(lái)計(jì)算。強(qiáng)子物理的一個(gè)重要的特點(diǎn)就是和實(shí)驗(yàn)聯(lián)系非常緊密。因而所有的理論結(jié)果都必然有相當(dāng)?shù)牟淮_定性和局限性。這也是強(qiáng)子物理中要深入探討的課題。 世界上正在運(yùn)行和即將

5、運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)強(qiáng)子物理作了前所未有的精確測(cè)量，這些新的數(shù)據(jù)使我們有可能進(jìn)一步改進(jìn)物理模型和確定參數(shù)。近三年來(lái)，一系列來(lái)自BES、Babar、Belle和CLEO等實(shí)驗(yàn)組的新強(qiáng)子態(tài)的發(fā)現(xiàn)，又將強(qiáng)子物理的研究帶入到一個(gè)新的紀(jì)元。 本博士論文研究了若干新強(qiáng)子態(tài)的結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)各種唯象的模型，對(duì)新強(qiáng)子態(tài)的產(chǎn)生以及衰變問(wèn)題進(jìn)行了有益的理論探討。 尤其需要指出的是本工作更頃向研究這種新強(qiáng)子態(tài)是非q(q)和qqq結(jié)構(gòu)的可能性以及所帶

6、來(lái)的與通常的q(q)和qqq不同的唯象結(jié)果。本文探討了強(qiáng)子態(tài)的膠球、混雜態(tài)以及多夸克態(tài)分量對(duì)這些新強(qiáng)子態(tài)性質(zhì)的影響。 來(lái)自格點(diǎn)的計(jì)算指出膠球和混雜態(tài)最有可能存在于charm-tau能區(qū)，然而人們尋找膠球和混雜態(tài)的實(shí)驗(yàn)努力幾乎沒(méi)有得到應(yīng)有的回報(bào)，即使一些原來(lái)認(rèn)為很有希望的膠球侯選者都沒(méi)能最終認(rèn)定。這些失敗決不意味著膠球并不存在。charm-tau能區(qū)的能譜非常豐富，態(tài)與態(tài)之間的質(zhì)量非?？拷?，從而讓人們更傾向于相信膠球或混雜態(tài)會(huì)與通

7、常的夸克系統(tǒng)混合。通過(guò)這種混合，膠球和混雜態(tài)原有的獨(dú)特的性質(zhì)可能被隱藏起來(lái)了，但它們的存在會(huì)對(duì)許多過(guò)程有決定性的貢獻(xiàn)。 本文的另一個(gè)特點(diǎn)就在于從混合的角度來(lái)研究強(qiáng)子態(tài)的譜、結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生和衰變性質(zhì)。我們希望通過(guò)我們的研究能夠獲取膠球或混雜態(tài)的信息。 本論文的研究包括： ●我們認(rèn)為BES合作組在輻射衰變J/ψ→γp(p)中觀測(cè)到的p(p)譜的增強(qiáng)是一個(gè)p(p)的分子態(tài)，用線性σ模型計(jì)算了它的束縛能和壽命。 ●

8、由于五夸克態(tài)uudd(s)和uudd(c)與NK(*)和ND(*)類型的分子態(tài)可以具有相同的量子數(shù)，然而單純用五夸克結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算得到的質(zhì)量與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的Θ+和Θc的質(zhì)量存在差別，因此我們提出了五夸克態(tài)與分子態(tài)的混合來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)?；旌蠀?shù)取決于非微擾QCD效應(yīng)，它不能通過(guò)嚴(yán)格的場(chǎng)論計(jì)算來(lái)得到，我們只能通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)獲得它們的數(shù)值。我們同時(shí)也預(yù)言了Θb的質(zhì)量和寬度，同時(shí)提出的混合機(jī)制也可以對(duì)Θ+和Θc所具有的窄寬度性質(zhì)予以解釋。我

9、們也簡(jiǎn)要的討論了通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Θ+和Θc的伴隨粒子的可能性。 ●我們建議新發(fā)現(xiàn)的共振態(tài)Y(4260)是一個(gè)xc-ρ0構(gòu)成的分子態(tài)。利用這個(gè)圖像，我們能夠解釋為何Y(4260)→π+π-J/ψ的分子比大于Y(4260)→D(D)的分子比的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。我們同時(shí)預(yù)言了另外兩個(gè)伴隨粒子的存在，它們可以在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中被觀測(cè)到。而且如果Y(4260)是分子態(tài)的構(gòu)造，那么它傾向于Y(4260)→π+π-J/ψ衰變模式，而不傾向Y(4260)→K(

10、K)J/ψ衰變。這可以作為通過(guò)實(shí)驗(yàn)判斷目前各種對(duì)Y(4260)結(jié)構(gòu)解釋的合理性的判據(jù)。 ●我們使用QCD反常和QCD求和規(guī)則研究了BES合作組在J/ψ→γπ+π-η'衰變中發(fā)現(xiàn)的粒子X(jué)(1835)。我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)態(tài)有可觀的矩陣元〈0|G(C)|p〉，這表明X(1835)中具有大量的膠球成分。從而計(jì)算得到J/ψ→γGp和Gp→π+π-η'的衰變分支比分別為(2.61～7.37)×10-3和(2.21～10.61)×10-2。結(jié)合計(jì)算

11、得到的J/ψ→γGp衰變分子比和BES測(cè)得的J/ψ→rp(p)衰變中的p(p)增強(qiáng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們確定了Gp-p-(p)相互作用的耦合。我們最后研究了X(1835)作為中間介子的J/ψ→γ+threemesons的衰變。我們發(fā)現(xiàn)J/ψ→γGp→γ(π+π-η，KKπ0)能夠作為測(cè)試我們提出機(jī)制的正確性的依據(jù)。 ●新發(fā)現(xiàn)的D*sJ家族中的D*sJ(2317)、DsJ(2460)和DsJ(2632)所具有的窄寬度的性質(zhì)以及實(shí)驗(yàn)僅

12、發(fā)現(xiàn)了它們的同位旋破壞的衰變和輻射衰變，引起了理論和物理學(xué)家們的極大興趣，確定它們的結(jié)構(gòu)是非常重要的。在這個(gè)工作中我們使用非相對(duì)論模型，即諧振子模型計(jì)算了通過(guò)ψ(4415)的衰變產(chǎn)生D*sJ(2317)的過(guò)程。為了比較我們也利用了被廣泛接受的重夸克有效理論重復(fù)了這個(gè)計(jì)算。我們發(fā)現(xiàn)，如果D*sJ(2317)是Ds(1968)的p-波激發(fā)態(tài)的話，它具有可觀的產(chǎn)生率，因而可以通過(guò)BESⅢ和CLEO的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到。 ●基于D*sJ(231

13、7)和DsJ(2460)是普通Ds和D*-s的(0+，1+)手征伴隨子的假定，我們利用組分夸克介子(CQM)模型計(jì)算了D*sJ(2317)和DsJ(2460)的強(qiáng)衰變和輻射衰變。我們的數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。 ●我們研究了最近BES在J/ψ→φππ衰變中發(fā)現(xiàn)的標(biāo)量粒子f0(1790)。假定它是同位旋單態(tài)且具有0+(0++)量子數(shù)，我們提出了在通常的由兩個(gè)同位旋單態(tài)的夸克耦素以及一個(gè)膠球構(gòu)成的基矢中添加兩個(gè)同位旋單態(tài)的混雜態(tài)，從而

14、用這個(gè)新混合基矢來(lái)描述f0(1790)以及已經(jīng)證實(shí)的三個(gè)同位旋單態(tài)f0(1370)、f0(1500)和f0(1710)。由于基矢中包括兩個(gè)同位旋單態(tài)的混雜態(tài)(uū+d(d)g/√2和s(s)g，因此我們預(yù)言了另外一個(gè)粒子X(jué)。使用已知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們找到了兩組解，我們預(yù)言的X態(tài)的質(zhì)量可以是1820MeV或者1760MeV。我們也研究了f0(1790)和X的衰變。而我們預(yù)言的具有質(zhì)量為1820MeV的X態(tài)能夠和最近BES實(shí)驗(yàn)在J/ψ→γωφ衰

15、變發(fā)現(xiàn)的X(1812)粒子吻合。 本工作在對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行解釋的同時(shí)，根據(jù)模型提出了我們的預(yù)言，以及設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)的建議，以期望在未來(lái)更精確的實(shí)驗(yàn)中能夠得到檢驗(yàn)。同時(shí)，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)的比較，我們不僅可以得到強(qiáng)子中的exotic分量的信息，而且可以對(duì)低能QCD有更深入的理解。由于目前采用的模型是與QCD相容的唯象模型，因而具有一定局限性和適用性，我們對(duì)某些普遍采用的模型的合理性及使用參數(shù)范圍進(jìn)行廣泛的探討，從而能夠?yàn)檫M(jìn)一步改進(jìn)