PQCD因子化方法下部分B介子三体衰变的研究

摘要

粒子物理学是探索微观世界物质结构最小组成成分、性质以及相互作用规律的前沿学科。粒子物理学的两个主流研究领域为:(1)以LHC实验为代表的超高能前沿研究领域:在发现了希格斯玻色子以后，重点寻找新物理粒子;(2)以两个B介子工厂实验、BES实验和LHCb实验等为代表的高精度前沿研究领域:其主要物理目标是精确检验标准模型，确定其味参数，寻找可能存在的新物理量子圈图效应。由于B介子（包含Bu,d，Bs和Bc）比较重，有很多的衰变道可以被计算和测量。因此，对B介子衰变过程的系统研究对标准模型精确检验、寻找CP破坏的起源和新物理量子效应有着重要的科学意义。
　　目前，对B介子两体强子衰变过程的理论计算已经比较成熟，基于主流QCD因子化方法的理论预言与现有实验测量结果符合得很好。随着LHCb实验的持续运行，对B介子三体强子衰变的衰变分支比和CP破坏的实验测量数据迅速增加，为相关理论研究提供了很好的实验推动。对B介子三体衰变的理论研究已经成为重味物理领域新的研究热点。和B介子两体强子衰变情况不同，在研究B介子三体强子衰变过程时，必须同时考虑共振态贡献和非共振态贡献，考虑三个末态粒子的动量分布以及末态相互作用等，其复杂程度大大超过两体强子衰变过程。近年来，虽然很多理论物理学家做了不懈地努力，但现在还没有建立起成熟的理论框架来处理B介子三体强子衰变过程。
　　本文基于微扰QCD(PQCD)因子化方案，主要研究B介子三体强子衰变过程中的共振态贡献。在论文的综述部分，作者首先简要回顾了关于B介子衰变过程和CP破坏的基础理论知识，介绍了微扰QCD(PQCD)因子化方案的基本理论框架和基本计算方法。作者还重点介绍了关于B介子三体强子衰变的基本理论，包括Dalitz图分析，共振态和非共振态的概念，介绍了两介子分布振幅的引入和应用。
　　在论文的工作部分，作者在微扰QCD因子化方法理论框架下，对B和Bs介子的部分类两体(Quasi-two-body)衰变过程做了系统研究。作者首先研究了多个已有实验数据的衰变道，根据已有实验结果确定了两介子波函数的相关自由参数。然后使用这些两介子波函数作为输入，对部分衰变过程的衰变分支比和CP破坏给出了基于PQCD因子化方法的理论预言:
　　(1)作者研究了类两体衰变过程B/Bs→P[ρ(770)，ρ(1450)，ρ(1700)]→Pππ（P代表轻的赝标介子K，π，η，η'），引入了ππ两介子波函数，计算了各个衰变道的衰变分支比和直接CP破坏。对B→（K，π）[ρ(770）]→（K，π）ππ衰变道，PQCD理论预言值和已有实验测量结果在误差范围内符合的很好。根据对B(s)→P[ρ(1450)，ρ(1700)]→Pππ分支比的计算结果，抽取出了两体衰变过程B(s)→P[ρ(1450)，ρ(1700)]的衰变分支比。同时，可以在我们的理论框架下理解BABAR实验组对类时形状因子模方|Fπ|2的实验测量结果。
　　(2)作者计算了B/Bs介子三体强子衰变过程中的部分S波和P波共振态的贡献。对于Bs→ηcπ+π-和B→ηcπ+π-三体衰变过程，占主要贡献的分别是S波共振态f0(980)和P波共振态ρ(770)。类似于B(s)→J/ψππ衰变过程，我们给出了对这些衰变分支比比值的理论预言，希望在LHCb和Belle-Ⅱ实验上得到检验。
　　对B介子三体（类两体）衰变过程的研究将是未来10年重味物理领域热点研究课题之一，现有的理论框架还处于早期发展阶段，任何理论上的突破都会迎来广泛关注。今后10年，LHCb和Belle-Ⅱ实验将采集到比现有数据高出2个量级的海量实验数据，这将推动对B介子三体强子衰变过程的唯象研究进入新的阶段。