关键词:
粲重子
两体非轻弱衰变
不可约表示振幅
末态相互作用
衰变分支比
不对称参数
CP破坏
摘要:
粒子物理标准模型提供了对基本粒子和它们之间相互作用最基本的描述,对理解物质的基本构成以及性质至关重要,成功解释了夸克色荷、强子的组成和CP破坏等许多实验观测的结果。然而,目前也存在一些标准模型无法解释的问题,例如无法包含引力相互作用,无法解释宇宙中正反物质不对称性的来源等,这也激励了科研工作者们寻找超出标准模型的新物理,以填补标准模型的不足。
重味物理研究是目前粒子物理领域的前沿研究课题,随着近几年大型实验装置的运行和升级,重味物理研究取得了很大的进展。首先,随着新的强子态发现以及各类观测量的测量,可以进一步检验标准模型的有效性,如2017年LHCb合作组寻找到了双粲重子Ξcc++进一步验证了夸克模型的预言,实验对重味强子中的CP破坏观测量的测量也在证实标准模型的预言。其次,高亮度、高能量的实验装置的升级运行,使得对重味物理的高精度测量成为可能,而高精度的实验结果给标准模型带来了非常大的挑战,出现的实验结果与理论计算之间的偏移,是新物理存在的迹象,如粲夸克和底夸克衰变的味道改变中性流过程的标准模型贡献是严重压低的,因此会对新物理的效应非常敏感,是寻找新物理效应的理想场所。简而言之,重味物理在检验标准模型和寻找新物理方面都有独特的优势,而实验研究的快速发展使得重味物理研究迎来了新的黄金期。
粲重子是重味强子中尤为特殊的粒子,它既涉及到重子衰变又涉及到粲夸克衰变,不管是重子相关的三体问题还是粲夸克相关的非微扰问题,都是目前理论研究中非常复杂的存在,因此对粲重子衰变的研究依旧比较匮乏,尤其是到目前为止都没有基于第一性原理的分析。而理解粲重子衰变的动力学机制对于理解三体问题和非微扰的动力学机制都有非常重要的启示。本文将通过模型不依赖的分析以及改进理论计算方法两方面系统地研究单粲重子的两体非轻弱衰变。首先,由于粲重子的衰变动力学过于复杂,而不可约表示振幅的方法是基于SU(3)味道对称性展开的分析,不显含动力学的信息,因此基于不可约表示振幅的分析是本文的第一个尝试。在粲夸克衰变的群表示分解中,有四个不可约表示算符的贡献,由于实验数据有限,在之前的理论工作中通常只考虑算符O(6)的贡献,而算符O(15)的贡献则由于其Wilson系数相对于O(6)有~2.5的压低因子被忽略掉。但这种忽略显然是不安全的,因此在本工作中完整地考虑了不可约表示算符的贡献,得到了每个衰变过程的完整的群表示振幅,进而得到了隶属于不同SU(2)不变子群下的振幅对称性关系,而SU(3)味道对称性下的振幅关系可以通过SU(2)的振幅关系做线性组合得到。基于大量的振幅关系以及已有的实验数据,首先可以检验味道对称性在粲重子衰变中的适用性,分析结果发现,同位旋对称性在粲重子系统中仍然是一个非常好的对称性,可以对粲重子衰变的观测量给出很强的限制,而U旋对称性在不同的衰变过程中则表现出不同的破坏程度,尤其是ΛC+→Σ+K*0和Ξc+→pK*0衰变过程中的U旋对称性破缺参数Re(εB)高达0.53±0.24,这是对粲重子衰变中的U旋对称性破缺参数的首次计算,需要更多更精确的实验结果来检验并解释这一破缺效应的大小。其次本工作也预言了部分衰变过程的衰变分支比,这对于未来的实验测量有重要的参考意义,以及大量的对称性关系都可以用于进一步预言未知衰变道的大小。
为了更进一步理解粲重子衰变的动力学机制,本文尝试用末态相互作用方法研究粲重子的两体非轻衰变。末态相互作用方法是非常自然地描述长程非微扰效应的物理图像,目前该方法中存在的理论难点在于如何准确地计算末态相互作用效应的大小。本工作系统地改进了传统方法中用光学定理和Cutkosky切割规则计算末态相互作用效应大小的方法,通过用完整的圈图计算来实现对末态相互作用效应的大小更准确的描述。计算结果表明,改进的计算方法的模型依赖性显著降低,仅用一个模型参数就可以解释Λc+→B8V过程中的8个实验数据,这表征了末态相互作用方法在粲重子衰变研究中的适用性。同时,改进的计算方法可以系统地预言衰变不对称参数的观测量,且这类观测量对模型参数的依赖性非常弱,可以预期是比较合理的预言结果。除此之外,本文也基于改进的计算方法首次预言了粲重子衰变中的CP破坏大小,这是目前唯一可以计算粲重子衰变CP破坏大小的理论方法,而且CP破坏的观测量对模型参数基本不依赖,非常符合理论的预期,可以期待未来实验的检验。这一改进的理论方法可以被自然地推广到其它重味强子弱衰变的研究中,例如可以计算D介子、B介子以及Λb重子的CP破坏,既能与其它理论方法的计算结果互相检验,也能进一步测试该理论方法的有效性。
随着重味物理的理论和实验研究的快速发展,人们对标准模型中QCD的非微扰动力学机制的理解在逐步加深,对超出标准模型的新物理的探索也在逐步推进,而重味物理的研究依旧处于黄金期,对其孜孜不