格点QCD对混杂态介子基态及第一激发态质量谱的研究

摘要

在夸克模型中没有出现胶子的身影，但是在量子色动力学(QCD)中，胶子扮演着极度重要的角色。这是因为胶子带有“色荷”的事实表明胶子同夸克一样也能作为强子的价元。因此我们开始关注带有胶子的态：在普通qq介子中包含胶子激发态的称为混杂态介子。混杂态介子的存在是QCD的重要预言，因此是实验上热烈寻找的对象，尤其随着实验的快速发展，将提供更多，更可靠的粲子偶素，包括混杂态介子质量谱的数据，因此在理论上对重夸克的混杂态介子的研究是重要和有意义的。又由于混杂态介子的存在是一个明显的非微扰的现象，所以理论上说格点规范理论是研究它们特性的最优方法。 格点规范理论是从第一原理出发处理非微扰问题最有力的工具，但不可避免的会存在系统误差。我们使用的改进的规范场作用量，即Symanzik作用量，并加入tadpole改进，在粗糙和小格点上能很大的减少离散误差。使用了各向异性格点后，有利于在质量谱计算中得到好的信号。对于重夸克，在计算方法或作用量的选择上要有一些特殊的考虑，我们使用的是各向异性相对论方法，是将Fermilab方法推广到各向异性格点上。这种改进的夸克作用量有效的减少了离散误差，且很大程度上提高了信噪比，已经被成功应用于计算charmonium谱，得到和实验一致的结果。。 第一章引言中首先介绍了本文基于的知识体系，即QCD和格点LQCD，并给出格点QCD中期望值计算的步骤，因为总的来说格点QCD是在欧式时空空间，对某个给定的、用作用量S定义的量子场的期望值进行计算；之后给出了论文研究的背景以及创新点。后面的三章则依次介绍了我们所做的三个工作。 第二章，从Quenched格点QCD出发，计算了charmquark部分的具有奇异量子数JPC=0+-，1-+，0-的混杂态介子-ccg的基态质量。对于混杂态介子0--，由于从较大的噪音中提取强的胶子激发的信号很有难度，因此0--的质量谱在格点计算中从未给出。在本工作中，我们应用了在各向异性格点上的改进的规范场和费米子场，这很大减少了格点的人为性，得到了很好的信号。最终的数据被外推到连续极限，且有限体积影响也在很好的控制中。对1-+，0+-混杂态介子，基态质量为4.405(38)GeV，4.714(52)GeV.我们在国际上首次由格点QCD预测的0--的基态质量为5.883(146)GeV.第三章，对混杂态介子以及所使用的各向异性格点来说，计算基态质量时来自于激发态的影响要比传统介子以及各向同性格点显著；另一方面激发态有时可能会反映粒子更基本的特性。因此在这个工作中，我们同时计算了charmquark部分的具有奇异量子数JPC=0+-，1-+，0-的混杂态介子-ccg的基态和第一激发态的质量。我们使用了两种方法给出基态和激发态的质量，两种方法给出一致的结果，其中激发态的结果是国际上格点方面首次给出。最终的结果在足够大体积下也被外推到连续极限。基态质量结果分别为4.420(91)GeV，4.655(103)GeV，5.752(123)GeV；第一激发态质量分别是6.450(190)GeV，6.629(138)GeV，8.487(201)GeV。 第四章，不同于前两个工作，这个工作中计算了charmquark部分的具有非奇异量子数JPC=0-+，1-，1++的混杂态介子-ccg的基态和第一激发态的质量。非奇异量子数激发态质量的研究没有在以往文献中出现过，但是在罗向前教授的思想指导下，我们发现在它们的第一激发态存在着强的胶子径向激发；我们预测它们的第一激发态的质量分别是：4.354(92)GeV，4.379(134)GeV和7.317(184)GeV。由此可见在charmquark部分它们的基态虽然和与它们有相同量子数的传统介子一致，但第一激发态的质量则有很大不同。最后我们对混杂态介子1--的第一激发态与近来被BaBar实验发现的最新态Y(4260)的关系，以及实验上对其它态的进一步寻找进行了讨论。 在最后一章中我们给出了本文的总结和展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

第二章 工作(一)各向异性改进作用量下奇异量子数混杂态介子基态的QUENCHED格点QCD研究

第三章 工作(二)各向异性改进作用量下奇异量子数混杂态介子基态和第一激发态的QUENCHED格点QCD研究

第四章 工作(三)各向异性改进作用量下非奇异量子数混杂态介子基态和第一激发态的QUENCHED格点QCD研究

第五章：总结和展望

附录A：格点QCD中的Monte Carlo模拟

附录B：Chi-square数据拟合及Jackknife误差分析

参考文献

博士在读期间发表和完成的文章

致谢

原创性声明