B介子稀有衰变与新物理效应的唯象研究

摘要

粒子物理的标准模型是描述基本粒子及其相互作用的规范理论。在过去的几十年里，它经受住了大量实验的精确检验。然而，标准模型并非完美无缺，它至今仍存在一些问题还没有得到合理的解决。对新物理的寻找是当前高能粒子物理最重要的任务之一。而重味物理，尤其是B物理在检验标准模型，寻找新物理信号中起到重要的作用。
　　本文主要对当前广泛讨论的一些B介子的衰变过程进行了详细的唯象研究。首先，我们简要介绍标准模型，及处理B介子衰变过程中使用的理论工具，包括算符乘积展开，重整化群等基础知识，并给出了描述B介子衰变的低能有效哈密顿。其次，我们介绍了几种计算强子矩阵元的方法，重点讨论了QCD因子化方案及其在B介子两体半单举衰变中的应用。最后我们给出论文的主体，包括两个部分:
　　第一部分，我们在标准模型的框架下，讨论了B介子半单举过程B→η(')Xs的分支比和Xs的反冲质量谱。同时考虑b→η(')s和b→η(')sg两种机制对这一过程的影响。在两体机制b→η(')s中，我们分别在简单因子化和QCD因子化方案下，计算了这一过程的分支比。通过引入ACCMM模型，我们给出了由两体机制导致的Xs的反冲质量谱。在三体机制b→η(')sg中，我们考虑了由标准硬散射方法得到的η(')g*g耦合的贡献，还考虑了在壳胶子从外线夸克，出射介子或者从内线费米子圈辐射出来以及从强企鹅图的虚胶子劈裂出来的费曼图的贡献。在同时考虑两种机制后，我们计算得到的B→ηXs的分支比和Xs的反冲质量谱与实验相符合。而B→η'Xs的分支比仍与实验值有较大差距。
　　除了在标准模型的框架下对B介子衰变的可观测量进行理论预言。我们还可以用一些实验上测量的比较精确且对新物理敏感的衰变过程，来限制某些超出标准模型的新物理的参数空间，从而对实验上寻找新物理信号提供补充信息。这是本文第二部分工作的出发点。
　　第二部分，我们利用(B)→(K)*μ+μ-和Bs→μ+μ-衰变最新的实验结果来对顶夸克tcZ反常耦合的参数空间给出限制。对于顶夸克的味改变中性流过程t→qZ，标准模型预言其分支比在10-10量级，远低于探测器可观测的范围。然而，这个过程在很多新物理模型中被显著增强，因此任何关于这一衰变存在的实验信号都可以被认为是新物理存在的间接证据。当然，除了在高能对撞机上直接寻找t→qZ衰变过程，我们还可以研究tqZ反常耦合效应对包括顶夸克圈图的低能味物理的影响。在这部分工作中，我们系统的研究了tcZ反常耦合效应对(B)→(K)*μ+μ-和Bs→μ+μ-衰变的影响。在考虑了这两个衰变道最新的实验数据的限制后，我们发现，在反常耦合参数是复数时，我们得到B(t→cZ)的上限和当前CMS直接测量的结果在同一个量级上，而在反常耦合参数是实数时，我们得到的上限低于当前的实验结果，但仍然在高亮度运行的LHC的测量范围。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第二章 基本理论介绍

2．1 标准模型

2．1．1 夸克的昧

2．1．2 CKM矩阵和幺正三角形

2．2 B介子衰变和有效场理论

2．2．1 有效哈密顿

2．2．2 重整化

2．2．3 重整化群

2．2．4 Wilson系数的重整化群方程

2．2．5 B介子衰变的有效哈密顿

2．3 非微扰计算方法

2．3．1 QCD求和规则

2．3．2 格点QCD

第三章 QCD因子化方案

3．1 简单因子化方案、推广的因子化方案

3．2 QCD因子化方案

3．2．1 介子光锥分布振幅

3．2．2 B介子到轻介子的形状因子

3．2．3 B介子两体非轻衰变的振幅

3．2．4 重整化标度和方案的依赖

3．3 QCD因子化方案在B介子半单举衰变中的应用

第四章 B→η(’)Xs的分支比及Xs的反冲质量谱的研究

4．1 研究动机

4．2 理论框架

4．2．1 η和η’的混合

4．2．2 两体机制b→η(’)s的贡献

4．2．3 三体机制b→η(’)sg的贡献

4．3 输入参数和数值结果

4．3．1 输入参数

4．3．2 数值结果与分析

4．4 本章小结

第五章 (-B)→(-K)*μ+μ-和Bs→μ+μ-衰变中顶夸克tcZ反常耦合效应的研究

5．1 研究动机

5．2 理论框架

5．2．1 有效哈密顿

5．2．2 标准模型的贡献

5．2．3 tcZ反常耦合的有效拉氏量

5．2．4 tcZ反常耦合效应的贡献

5．3 数值结果和讨论

5．3．1 输入参数

5．3．2 标准模型的预言

5．3．3 对tcZ反常耦合参数空间的限制

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

附录

参考文献

博士期间完成的工作

致谢