摘要: 本文运用NRQCD因子化方案，在理论上预言了准确到αs次领头阶的重夸克偶素1D2态到轻强子和双光子的衰变宽度；并对强子对撞机(Tevatron和LHC)上的J/ψ强产生过程及正负电子对撞机上e+e-→J/ψ+gg过程的相对论修正进行了研究。 粲夸克偶素1D2态(ηc2)在理... 展开 本文运用NRQCD因子化方案，在理论上预言了准确到αs次领头阶的重夸克偶素1D2态到轻强子和双光子的衰变宽度；并对强子对撞机(Tevatron和LHC)上的J/ψ强产生过程及正负电子对撞机上e+e-→J/ψ+gg过程的相对论修正进行了研究。 粲夸克偶素1D2态(ηc2)在理论上早已预言其存在，但至今未被实验发现。它是目前为止唯一没有发现的低激发的自旋单态粲夸克偶素束缚态。在很多过程中ηc2的产率通常被认为是比较低的，因为产率的值被零点波函数的二阶导数的平方值这一小量压低。而且又由于ηc2是自旋单态，所以不能与单光子耦合，也不能通过自旋三重态的粲夸克偶素高激发态的E1跃迁过程进行探测。然而，找到这一非常独特且至今“隐藏”着的粲夸克偶素态仍然十分必要。为了帮助实验发现该态，本文运用NRQCD有效理论对1D2到轻强子的单举衰变宽度进行了严格的解析计算。和自旋三重态D波束缚态3D1不同的是，1D2到轻强子的领头阶衰变宽度是有限的。但当准确到αs的次领头阶时，会出现红外发散项。通过引入色八重态机制，红外发散项被吸收到P波色八重态的长程矩阵元中，得到了有限的衰变宽度：粲夸克偶素1D2态(ηc2)到轻强子的衰变宽度为Fc(11D2→LH)=274KeV，底夸克偶素1D2态(ηb2)到轻强子的衰变宽度为ΓB(11D2→LH)=4.70KeV。其中D波色单态长程矩阵元由势模型计算得到，P波色八重态长程矩阵元由算符演化方程方法得到。次领头阶相对于领头阶宽度的增强因子K分别为1.8和1.5。结合已知的E1跃迁和强跃迁宽度，可以得到ηc2的总宽度为660-810KeV，从而ηc2 E1跃迁到低激发态hc的分支比约为(44.54)％。这为在实验上寻找该态提供了重要的信息。例如，人们可以通过级联衰变ηc2→γhc→γηc→γγKKπ来寻找ηc2,类似的衰变链也可用来寻找ηb2(1)态。 除轻强子衰变外，本文还研究了重夸克偶素1D2态到双光子的电磁衰变。和轻强子衰变类似，1D2态双光子衰变的领头阶是有限的。由于这是一个遍举衰变的过程，准确到QCD的次领头阶，只有虚修正，贡献库仑发散。这个过程不需要引入色八重态机制，运用NRQCD因子化理论，将库仑发散吸收到D波长程矩阵元的定义中，得到有限结果。准确到αs的次领头阶，ηc2和ηb2到双光子末态衰变宽度分别为10eV和1eV的量级，除运动学压低效应外，非相对论效应显著也是导致宽度很窄的原因。ηc2和ηb2的领头阶宽度很小，次领头阶相对于领头阶宽度的修正为负，K因子分别为0.69和0.78，所以实验探测的难度更大。 此外，本文还考察了Tevatron和LHC上J/ψ强产生过程的相对论修正。Tevatron上J/ψ直接产生过程的大横动量下的截面的实验测量和色单态领头阶预言差距很大，有人曾试图用NRQCD的色八重态机制解决这个问题，发现大横动量下的截面得到很大提升，和实验测量值比较接近，但该机制预言J/ψ为横向极化，和实验测量的偏向纵极化的结果不符。近几年对色单态J/ψ直接产生过程的QCD次领头阶修正的结果显示，大横动量下的截面约提升了10倍，但仍与实验有很大差距；且由横向极化转变为过度的纵向极化。考虑到B工厂正负电子对撞机上粲夸克偶素对J/ψ和ηc产生的次领头阶QCD修正和相对论修正相结合，可以弥补领头阶理论计算和实验测量的差距，于是本文运用NRQCD因子化方法计算了准确到()(v2)阶的色单态J/ψ直接产生过程的相对论修正。其中短程系数由完整QCD与NRQCD对子过程g+g→J/ψ+g的截面对相对速率v做微扰展开相匹配得到，准确到()(u2)阶的长程矩阵元从J/ψ到轻强子和轻子衰变宽度的实验测量值中抽取，在与部分子分布函数(CTEQ6PDFs)做卷积之后，得到在Tevatron和LHC上p+p(p)→J/ψ+X过程的相对论修正在较大范围的横动量pt内，只有领头阶的1％左右，可以忽略。如此小的修正来自短程系数和长程矩阵元的双重压低。这些结果说明在高能强子对撞机上粲夸克偶素的产生过程中NRQCD的非相对论近似很好，且相对论修正对解决Tevatron上J/ψ产生的理论预言和实验严重不符的问题没有太多帮助。 B工厂正负电子对撞机上伴随一对开放的粲夸克对的J/ψ产生截面同样面临理论预言和实验测量相矛盾的问题。之前对σ[J/ψ+cc]和σ[J/ψ+gg]的QCD次领头阶的计算分别贡献增强因子1.8和1.2,所得反应截面的计算结果与最新实验测量基本符合。本文通过考察e+e-→J/ψ+gg过程的相对论修正效应，发现相对论效应贡献K因子为1,2,在考虑了理论的不确定性和实验误差后，发现色单态反应截面的理论计算值已饱和了实验结果，因此色八重态贡献可以忽略。 收起