重味介子弱衰变机制及其中的强相互作用研究

Heavy flavor physics is one of the most important area in particle physics. The heavy flavor meson decays provide an excellent laboratory to test the theory of the electorweak and strong interaction, as well as to research the source of CP violation. The B factories in SLAC and KEK, which have been in run for almost a decade and successfully closed recently, have accumulated large amount of experimental data on B decays. The Tevatron in Fermi lab also obtained many data about the decays of heavy flavor mesons. The Large Hadron Collider (LHC) has been in run, the Super B factor is in construction. There will be more and more data on heavy flavor meson decays. Such situation of the experiments tells us that heavy flavor physics is still in its golden era. At the same time, the phenomenological study in theory has also made great progress. However, due to the impact of the non-perturbative dynamics, it is till a difficult problem to calculate the decay rates of the heavy meson decays with high precision. Considering the large amount of experimental data and the recent development of the theoretical calculation, we will study the dynamics that confines the heavy and light quarks into the heavy mesons, and study the heavy meson decays, try to develop methods of treating heavy meson decays, to improve the precision of the theoretical calculation. The rare deays of heavy mesons are sentive to new physics beyond the standard model, we will focus on the problem to calculate the rare decays more precisely. With the help of the more experimental data, try to research new phenomenon and develop new theoretical methods.

重味物理是当前粒子物理中最重要的前沿领域之一。研究重味介子衰变机制，可以检验标准模型中关于弱电相互作用的理论，探索CP破坏的来源问题，也可以检验关于强相互作用的理论QCD。已经运行的B 介子工厂积累了大量的B介子衰变事例，位于费米实验室的Tevatron也采集了数量可观的重味介子衰变事例，LHC已经运行，超级B工厂正在加紧建造。丰富的实验说明重味物理研究仍处在黄金时期，于此同时理论唯象研究也取得了很大进展。受强子参与过程的非微扰性质的影响，重味介子非轻子衰变的精确计算是理论难题。结合丰富的实验数据，以及进几年来取得的理论进展，我们将研究重味介子的束缚态动力学，重味介子的衰变过程，研究QCD理论在其中的应用问题，提高理论预言的精确性。重味介子的稀有衰变过程又是对超出标准模型之外的新物理敏感的过程，我们将着重研究对于稀有衰变如何提高理论预言精确度的问题。结合实验，不断探索新现象、发展新方法。

重味介子波函数及夸克动量分布振幅是研究重味介子衰变过程中所需要的一个重要物理量。目前势模型方法是计算重味介子中夸克与反夸克束缚态波函数的一个行之有效的唯象方法。为了确定重味介子波函数，我们利用相对论势模型方法研究了B和D介子及其高激发态构成的质量谱。考虑了与夸克自旋相关的相互作用项，在自旋及轨道角动量相关的哈密顿量中引入了四个相对论性参数，经过这样修正的有效哈密顿量能够很好地描述重味介子质量谱，解决了Godfrey-Isgur模型中对个别介子质量预言比实验测量值偏大的问题。由此也确定了重味介子中夸克与反夸克束缚态的波函数。利用相对论势模型确定的波函数，我们研究了B和D介子的纯轻辐射衰变过程，考虑了QCD修正的因子化问题，证明在包括1/mQ贡献的情况下，因子化仍然成立。仔细研究了软光子能区的贡献、带电Higgs粒子的贡献。发现在纯轻辐射衰变过程中软光子能区的贡献非常大，考虑软光子能区的贡献后，可以使分支比增为原来的3倍。利用相对论势模型得到的波函数计算了重味介子中夸克动量的分布振幅，得到了分布振幅的一个非常简洁的表达式。在我们这个结果里，横向动量分布自然出现，不需要额外的假设。这个分布振幅对进一步研究B介子衰变具有一定的科学意义，因为它是建立在较为坚实的动力学基础之上的。