在Ψ（4415）的辐射衰变中研究O介子D（2317）的产生

摘要

近来实验上发现的Ds(2317)、Ds(2460)和Ds(2632)粒子[1]看来构成了一个新的charm-strange家族。这些介子的spin-parity分别为0+、1+和0+。新的发现激发了高能物理理论家和实验家极大的兴趣。一些人[2]建议Ds(2317)、Ds(2460)是普通Ds、Ds*手征伴子而Ds(2632)是Ds(2317)的激发态。也有人[3]认为Ds(2632)是Ds的p波激发态。同时，也有很多的作者认为它们可能是四夸克态或者是分子态[4，5]。最奇怪的现象是，在一些实验，这些共振态被清晰地发现，而其他的一些实验组却没有[6]。我们不禁要问，这些粒子是否真的存在或者从背景中区分不出信号。五夸克(pentaquark)态也存在同样的问题。目前研究的目的是设计实验来厘清这些问题。 关键的问题是在实验上探寻这些粒子，并且找到一个令人信服的解释说明为何有些实验能够发现而另外的实验却没有。然而，在这之前，我们需要确定Ds(2317)、Ds(2460)和Ds(2632)的结构。如前所述，有几个不同的推测，这需要用实验来检验。 幸运的是，BESⅡ和CLEO已经积累了大量的J/ψ及其激发态的数据。通过这些高激发态的衰变，我们预期能够找到这些奇特介子结构的线索。这些奇特介子有粲量子数和奇异量子数，也在charm-tau工厂的能区(目前的BESⅡ、CLEO，将来的BESⅢ)。因此人们相信，这里有独特的优势去寻找这些奇特态。因为这些奇特态经过c-c的激发态衰变产生，在初态的c夸克和-c夸克直接进入末态，因而这个过程不受OZI规则压低。在这些设备上发现这些奇特态的几率是值得研究的。 因为末态相空间的限制，能够观察到包含任何奇特态的末态都必须是ψ的高激发态。从粒子data-booklet[7]，我们看到能够提供足够能量去产生Ds(2317)+Ds(1968)是ψ(4415)，但还是不足以衰变到Ds(2317)+Ds(2317)。因为Ds(2317)是0+介子、Ds(1968)是0-介子，仔细分析总角动量和宇称发现ψ(4415)(r)→Ds(2317)+-Ds(1968)衰变被禁界，而且相空间也不够纯的强衰变Ds(2317)+-Ds(1968)+π发生。因此，唯一可能的是辐射衰变ψ(4415)(1-)→Ds(2317)+-Ds(1968)+γ，这是一个三体末态衰变，也是一个电磁过程，需要一个p波确保总角动量和宇称守恒。这些告诉我们相应的分之比必定被极大的压低，是稀少的衰变。我们只能期待高亮度的BEPC和CLEO能够积累大量的ψ(4415)数据以便进行统计。而且，ψ(4415)是最后的有稳定结构的c-c激发态，因而这是唯一能直接产生Ds(2317)的地方。从ψ(4415)辐射衰变中建议一个实验去寻找Ds(2317)，我们需要从理论上估计可能的产生率，如分支比。 由于末态相空间很小，产生的Ds(2317)和Ds(1968)的动能很小，因而非相对论近似是合理的。在计算过程中，我们使用Quark-Pair-Creation(QPC)[8，9]模型，一对s-s从真空中产生，它们和ψ(4415)中的c、-c结合成Ds(2317)、Ds(1968)，过程中同时辐射出一个光子。 关键的地方是强子矩阵元的计算，这儿我们选择了合适的模型去做这项工作。非相对论的谐振子波函数可能是一个很好的选择对于1-的ψ(4040)，ψ(4415)、0-的-Ds(1968)、0+的Ds(2317)。 为了获得相关的参数和检验模型的适用性，我们计算了ψ(4040)→D(*)+-D(*).D+-D的宽度和ψ(4415)→D(*)+-D(*).Ds-Ds等过程的分支比。经过拟合参数，我们确定了真空产生率和波函数中的相关参数。具体来说，有几个ψ(4040)的衰变道(D0(*)-D0(*)，D±(*)-D+(*))，它们的分支比是实验确定的，可以确定参数，我们可以应用这些参数于其它的衰变道，来检验模型和参数。我们的数值结果和实验相符。对于ψ(4415)，不仅ψ(4040)所有的道存在，还存在更多的道末态包含c，-c，s；-s，那就是DsDs(orD+sD-s)、Ds*-Ds*(orDs*Ds*)，我们能够简单考虑ψ(4415)产生Ds*-Ds*，类似于ψ(4040)→D(*)+-D(*)，所有的参数都能够确定。 因为c-s介子的波函数和cq(q=u，d)有不同的参数，s-s的真空产生率γs与u-u，d-d(标为γq)不一样，我们无法通过ψ(4040)→Ds+Ds，确定波函数的参数和真空产生率，我们引入理论假设，很简单，人们期待γs/γq～1/√3[10]。 需要注意的是，在合理的参数范围内，假设ψ(4415)是c-c的4S激发态，计算的总宽度大约只有测量的一半。正如书[11]中说的，真空产生率与能量有关，因此可以调整它，我们能够获得末态粒子包含有c-c的ψ(4415)衰变总宽度占绝大部分，接近实验数值，将来的实验能够更精确的测量宽度，告诉我们如何调节我们的理论模型或调整相关参数。 随着参数的输入，我们得到了ψ(4415)→Ds(2317)+Ds(1968)+γ的公式和数值结果，尽管这个结果是近似的，不很精确，我们期待计算的量级应该是对的这个计算和CQM[12]的计算平行的，但细节不一样。事实上，我们也可以用CQM模型来完成这个计算，并和QPC模型的结果进行比较。 我们最后的结果表明BR(ψ(4415)→Ds(2317)+-Ds(1968)+γ)是在10-5量级，BR(ψ(4415)→Ds(1968)+-Ds(1968)+γ)是在10-3～10-2量级。如果奇异态Ds(2317)是4夸克态[4,5]，在这个过程中需要从真空中产生3对正反夸克，末态将包含更多的夸克、反夸克，末态相空间会被更大的压低。经过我们粗略的计算，如果Ds(2317)是4夸克态，辐射衰变大约有4个量级的压低。因此通过测量ψ(4415)→Ds(2317)+Ds(1968)+γ的分支比，我们能够判断(1)是否Ds(2317)真的存在，(2)它的夸克结构 很明显，ψ(4415)的产生率很小，辐射衰变的分支比很小，因此在目前的情况下，令人信服的测量还不可能，然而将来，BESⅢ和一个可能的charm-tau工厂可能做这方面的测量，这将帮助我们更好地理解这些奇特粒子。而且，如果我们能够发现c-c更高的激发态，它有足够的能量产生Ds(2317)+-Ds(2317)，一个更大的衰变率可以期待，那么我们不仅有机会去发现Ds(2317)，也可以通过其它的衰变道去发现另外两个奇异的态。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章真空产生模型

第三章ψ(4415)→γDsDs(2317)过程的研究

§3.1 Introduction

§3.2矩阵元的计算

§3.3三体末态积分

§3.4ψ(4415)→γD(D))过程

第四章数据结果

第五章组分夸克介子模型

第六章结论

参考文献

致谢