高能对撞机上重味强子的产生性质

论文摘要

物质基本组成粒子—夸克之间的相互作用可由量子色动力学（QCD）理论来描述。在高能物理中,重味强子产生和衰变性质的研究是人们认识强相互作用的重要窗口,同时也是研究微扰QCD和非微扰QCD理论的一个重要平台。无论是理论物理学家还是实验物理学家都对其倾注了极大的热情,这使重味强子的研究成为当前高能物理领域的重要研究内容。本文利用微扰量子色动力学理论（PQCD）研究两种不同类型的重味强子Bs介子和（?）bc重子的强产生性质。本文系统研究了Bs（*）介子在固定味道数方案（FFNS）和考虑质量效应的变味道数方案（GM-VFNS）下的强产生性质。在强子对撞环境下,FFNS认为在强子内部的部分子分布中轻部分子（胶子和轻夸克）的分布是占主要的,对应的强产生硬子过程只需考虑胶子-胶子熔合过程和轻的夸克-反夸克湮灭过程等;而GM-VFNS则认为在强子内部除了轻部分子以外,还需考虑重夸克成分的贡献。不管是在那种方案下,对Bs（*）介子强产生贡献最大者是胶子-胶子熔合机制。我们首先在FFNS下完成了胶子-胶子熔合机制子过程g+g→Bs（*）+b+（s|—）的处理（αs4阶）,并给出Bs（*）介子在强子对撞机TEVATRON和LHC上强产生截面。然后进一步考虑了GM-VFNS下, Bs（*）介子在胶子-胶子熔合机制和重夸克（主要是外禀b夸克）机制下的产生情况,适当处理两种机制所存在的双重计算问题。结果表明, Bs（*）介子在强子对撞机TEVATRON和LHC上都有可观的产生截面。另外,我们还比较了两种方案下, Bs（*）介子的产生性质。结果表明,虽然在小横动量区域,两者区别较大,但在大横动量pT的区域,两种方案的预言基本一致。同时,我们定量研究了强子对撞机TEVATRON和LHC上Bs（*）介子强产生过程中所涉及到的不确定性。理论估算不确定性的主要来源包括Bs（*）介子束缚态参量,如衰变常数fBs,组成夸克质量以及Bs介子质量ms、mb和M Bs;部分子分布函数;跑动耦合常数αs;因子化标度Q2等。计算结果表明:s夸克质量对截面的影响较大, ms每增加0.1GeV,相应的Bs（*）介子产生截面减少80%-100%;而b夸克质量的影响相对较小, mb每增加0.1GeV,相应的Bs（*）介子产生截面改变10%左右。部分子分布函数和因子化标度引起的变化为1 5到1 3的范围。为给实验模拟Bs（*）介子强产生提供有效参考,我们还给出了各种实际截断条件下强子对撞机TEVATRON和LHC上Bs（*）介子强产生微分截面分布,并讨论了各种运动学截断对强产生总截面的影响。另一方面,考虑到重子在大型强子对撞机LHC上的产生和观测前景,本文系统研究了（?）bc重子强产生性质,并给出了在大型强子对撞机LHC质心能量分别为S1/2=7TeV和S1/2=14TeV时,（?）bc重子强产生总截面数值以及各种微分截面分布。计算结果表明,在LHC质心能量为S1/2=7TeV,（?）bc重子横动量截断和快度截断分别为pT＞4.0GeV和|y|＜1.5的条件下,LHC上每年约产生1.7×107个（?）bc重子事例;而当质心能量进一步提升到S1/2=14TeV,同时亮度也提高的情况下,在相同的截断条件下,每年约会产生3.5×109个（?）bc重子事例。我们还给出了LHC上三个主要的探测器CMS、ATLAS和LHCb在各自的实验环境下,（?）bc重子的四个diqark态（bc）（3|-）[1S0]、（bc）6[1S0]、（bc）6[3S1]、（bc）（3|-）[3S1]和总的强产生截面以及各自的微分截面分布,并讨论了（?）bc重子强产生过程中,各种因素带来的理论计算不确定性。以此为基础,我们对三种双重味重子（?）cc、（?）bc和（?）bb在LHC上不同质心能量下的强产生总截面及微分分布做了简单比较。结果表明在横动量截断和快度截断分别为pT＞4.0GeV和|y|＜1.5的的情况下,三种重子的总截面大小关系是σ（?）cc＞σ（?）bc＞σ（?）bb,但（?）cc、（?）bc重子的强产生总截面基本在同一个量级上,甚至在横向动量截断pT＞9.0GeV的区域,（?）bc重子的微分截面分布还大于（?）cc重子的微分截面分布。根据这些结果,可以预计双重味（?）bc重子在LHC上将会有相当可观的事例数,值得做进一步的理论与实验探讨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 2 重味强子物理和非相对论性量子色动力学简介
• 2.1 重味强子物理简介
• 2.2 非相对论性量子色动力学（NRQCD）简介
• 2.2.1 能标和NRQCD 拉氏量
• 2.2.2 速度标度规则
• 2.2.3 色八重态机制
• 2.2.4 四费米子算符
• 2.3 重味强子的湮灭和产生
• s^（*） 介子强产生研究'>3 重味强子 B_s^（*）介子强产生研究
• 3.1 研究背景
• 3.2 强产生子BCVEGPY 简介
• s^（*） 介子的强产生'>3.3 FFN 方案下B_s^（*）介子的强产生
• 3.3.1 振幅处理方法简介
• s^（*）+b+（s|—） 对应矩阵元'>3.3.2 子过程g+g→B_s^（*）+b+（s|—） 对应矩阵元
• s^（*）+b+（s|-） 振幅处理'>3.3.3 子过程g+g→B_s^（*）+b+（s|-） 振幅处理
• s^（*） 介子的强产生结果'>3.3.4 FFN 方案下B_s^（*）介子的强产生结果
• s^（*） 介子强产生理论估算不确定性分析'>3.4 B_s^（*）介子强产生理论估算不确定性分析
• s^（*） 介子的强产生'>3.5 GM-VFN 方案下B_s^（*）介子的强产生
• s^（*）+（s|-） 振幅及处理'>3.5.1 子过程g+（b|—）→B_s^（*）+（s|-） 振幅及处理
• s^（*） 介子强产生结果'>3.5.2 GM-VFN 方案下B_s^（*）介子强产生结果
• 3.6 FFN 方案和GM-VFN 方案强产生结果比较
• s^（*） 介子实验模拟初步结果及其与理论估算值的比较'>3.7 B_s^（*）介子实验模拟初步结果及其与理论估算值的比较
• 3.8 小结
• bc 重子强产生研究'>4 双重味强子（?）_bc重子强产生研究
• 4.1 研究背景
• 4.2 强产生子GENXICC 简介
• bc 重子强产生'>4.3 （?）_bc重子强产生
• bc+（b|—）+（c|—）子过程及处理'>4.3.1 g+g→（?）_bc+（b|—）+（c|—）子过程及处理
• bc重子强产生结果'>4.3.2 （?）_bc重子强产生结果
• bc强产生理论估算不确定性分析'>4.3.3 （?）_bc强产生理论估算不确定性分析
• 4.4 小结
• 5 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 符号和约定
• B. 作者在攻读博士学位期间发表/待发的文章目录
• C. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及获奖情况