对部分B介子半轻和强子衰变过程的研究

【摘要】B介子物理研究作为检验标准模型(SM)理论并测量其参数、寻找B介子系统(B,Bs,Bc)的CP破坏和探寻新物理存在的迹象或证据的重要研究领域,一直以来都颇受物理学家的重视。1999年夏天,美国和日本的两家B介子工厂投入运行,到2010年6月日本的B介子工厂停止运行,BaBar和Belle两个实验组合计收集到大约1.7×109个B介子对产生和衰变事例,他们发现了B介子系统的CP破坏,测量了几百个衰变道的分支比,发现了许多X,Y,Z奇异粒子,实验取得了巨大的成功,B介子物理的理论研究也同时取得重要的发展。2009年,LHC超高能强子对撞机实验重新投入运行。到目前为止,LHCb实验组已经收集了大量的B/Bs介子衰变事例,已经对许多重要衰变道给出最好的测量结果,或者是第一次实验测量结果。ATLAS和CMS实验组发现了人们期待已久的“上帝粒子”：Higgs玻色子,实现了几代物理人的梦想。他们在B物理研究方面也做出了重要贡献。另一方面,日本和意大利的Super-B工厂将于2016年前后投入运行,其预期数据量将比目前高两个数量级。我们有理由相信,“b介子”物理的实验和理论研究在经历了一个“光辉十年”之后,又进入了一个新的“黄金时代”。本论文使用基于kT因子化定理的微扰QCD因子化方案(pQCD)对两体非粲强子衰变过程B→Kη(’)以及B,Bs介子的半轻衰变过程B/Bs→D(s)(*)lVl做了系统研究,得到了具有重要学术价值的研究成果。在本文的综述部分,作者首先简单回顾了标准模型理论基础以及重味物理的研究现状,介绍了B介子物理的实验及理论研究现状,然后重点讨论了B介子系统的CP破坏和计算强子矩阵元的几种理论计算方法,介绍了pQCD因子化方法的基本理论框架及其近期的新进展。在论文的第三和第四章,我们重点介绍了我们的工作。在第三章,作者采用pQCD方法对B→Kη(’)两体非轻衰变过程做了系统研究,重点考虑次领头阶(NLO)修正的影响。作者在三种不同的η-η’混合方案下对该衰变过程做了系统的解析计算,逐项考虑了次领头阶高阶修正的贡献,重点研究了次领头阶形状因子修正的影响,分别给出了相应混合方案下的数值结果。通过对衰变分支比,CP破坏不对称性及各个贡献来源细致的唯象分析,得到以下主要结论：(1)在本文所考虑的三种混合方案下,对分支比和CP破坏不对称性的NLOpQCD理论预言在一个标准偏差内与实验测量数据符合的很好。尤其是η-η’-G混合方案,可以对实验测量数据给出非常漂亮的理论解释。对不同的衰变道,次领头阶贡献有不同的影响,且均有助于改善pQCD理论预言与测量值之间的符合程度。(2)次领头阶形状因子的效应可以使衰变分支比Br(B→Kη’)产生约20%的增强,有助于解释实验上看到的很大的B→Kη衰变分支比。(3)包含次领头阶贡献后,CP破坏不对称性的pQCD理论预言值和实验测量值之间的自洽性得到了改善。(4)可因子化发射图为所考虑的衰变提供主要贡献,旁观者图的贡献较小。湮灭图的实部一般也很小,可以忽略。但湮灭图的虚部相对较大,可以提供大的强相位,以解释实验上看到的比较大的CP破坏。(5)根据本文的研究,我们相信目前仍然不知道的对旁观者图和湮灭图的次领头阶修正是对小量的高阶修正,其大小应低于目前的实验测量误差,可以忽略。在论文的第四章,作者在标准模型下采用pQCD因子化方法对目前的“热点问题”-B/Bs→D(s)(*)lVl半轻子三体衰变过程做了系统研究。作者计算了相关的形状因子、衰变分支比以及相应衰变道分支比的比值,我们发现：(1)对分支比B(Bs→D(s)(*)l-Vl)和B(BsO→D(s)(*)+l-Vl)的pQCD理论预言值与其它的基于标准模型的理论预言值和实验测量值在一个标准偏差内符合的很好。对于同位旋约束的比值R(D)和R(D*),pQCD理论预言值与BaBar的实验测量值符合的很好,为R(D(*))反常提供了一个标准模型框架下的理论解释。两个新定义的比值RlD和R(?)D,对所考虑的半轻衰变道的QCD动力学更加敏感,因此,我们建议在未来的实验中测量这两个比值。(2)对BsO→D(s)(*)+l-Vl半轻子衰变过程,我们定义了四个分支比比值：R(Ds(*))和RDsl,τ,可以在未来的实验中加以检验。(3)BsO→D(s)(*)+l-Vl和B→D(s)(*)+l-Vl衰变道间的pQCD理论预言值支持SU(3)F味对称性。我们的计算表明：SU(3)F味对称性的破缺约为10%。在第五章,作者对全文进行了简单总结,并对B介子物理的未来的发展做了讨论和展望。随着在高阶修正计算方面的不断进步,我们可以逐渐提高pQCD因子化方法的准确度和可信度,我们也期待着将来的实验对我们的理论预言给出检验。
【作者】樊莹莹；
【导师】肖振军；
【作者基本信息】南京师范大学，理论物理，2014，博士
【关键词】微扰QCD因子化方法；B介子强子衰变过程；B/B_s介子半轻子衰变过程；衰变分支比；CP破坏；

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