微扰QCD框架下双光子湮灭到赝标介子对过程的唯象研究

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高能双光子碰撞中的介子对产生过程一直以来是人们感兴趣的重要课题之一。关于双光子碰撞中以强子为末态的遍举过程的研究能提供有关轻夸克和重夸克共振态、微扰和非微扰QCD以及强子产生机制的重要物理信息。由于光子可被视为点状结构,初态变得较为简单和可控,而强相互作用仅出现在末态,因此以介子为末态的双光子过程被认为是最简单的强相互作用过程之一。这类过程的角分布、总截面的能量依赖关系均为QCD理论的重要物理量。双光子过程一直也是实验研究的重要课题。近年来,Belle实验组持续测量了双光子湮灭中赝标介子对产生的遍举过程,例如γγ→π+π-,K+K-,π0π0,KS0KS0,ηπ0,ηη。Brodsky和Lepage以及Efremov和Radyshkin分别独立的提出了大动量转移下遍举过程的因子化方法。他们指出双光子过程的振幅可以由硬散射核和强子波函数的卷积形式给出。硬散射核描述了夸克层次的子过程γγ→qq+qq,并且它可以由微扰理论进行系统的计算。波函数则描述了两个夸克与出射介子态之间的非微扰重叠,目前的理论中它还不能从QCD的第一性原理得到。除了微扰QCD理论,在当前实验可测得的能区内双光子过程也已被很多理论方法所研究,例如Handbag模型,QCD求和规则,软共线有效理论以及手征微扰理论。然而,目前这些方法均不能很好地同时解释特定过程中实验测量的角分布、总截面的能量依赖关系以及相应过程散射截面比值的所有实验数据。理论预言与实验测量之间存在的差异促使我们继续寻找对于这一问题的解释。在标准的微扰理论计算中,关于双光子过程的散射截面一般仅给出了twist-2阶的贡献,其αs领头阶及其次领头阶预言均远小于现有的实验测量值。当考虑高twist修正时,通常会遇到端点发散问题。正如我们所知,如果端点区域是重要的,则横向动量kT在计算中就不能被忽略。鉴于上述原因,我们在基于kT因子化方法的微扰QCD框架下计算了双光子湮灭到赝标介子对过程包含twist-3修正的截面,其中横向动量效应以及重求和效应均被考虑在内。这些改进使得微扰理论的计算变得更为自洽,尤其是对于几个GeV能区。在本学位论文中,第一章引言部分作者介绍了双光子过程的相关研究背景。第二章简要介绍了微扰QCD理论中的基本概念。第三章是对横向动量依赖的kT因子化以及该方法中涉及的重求和技术的简要描述。并且在本章中例举了πγ*→γ过程的因子化证明。第四章和第五章为作者博士期间完成的两个主要工作。在基于kT因子化方法的微扰QCD框架下我们分别计算了带电道γγ→π+π-,K+K-以及中性道γγ→π0,π0,KS0KS0,ηπ0,ηη的散射截面,系统地分析了各个道散射截面的twist-3修正及散射截面受输入参数不确定度的影响,并给出了理论和实验上较为关心的相关道散射截面的比值。我们得到的主要结论如下:(1)对于γγ→π+π-,K+K-过程,计算中我们保留了强子波函数以及硬散射核两部分的横向动量依赖。由于包含了 twist-3修正,苏达科夫重求和以及阈值重求和被联合考虑以抑制端点区域的非微扰贡献。我们的计算表明,不仅横向动量效应而且twist-3修正均对散射过程起到重要的作用。非微扰参数对于散射截面所产生的不同影响主要来自于手征增强因子的不确定度。twist-3修正后的散射截面在目前的实验能区能较好地符合实验测量。在几个GeV能区,我们可以看到双光子过程是由twist-3贡献占主导的。但我们对于散射截面比值σ0(π+π-)/σ0(K+K-)的预言依然高于实验测量,π+π-和K+K-散射截面的角分布与实验测量也存在一定偏离。导致这些差异的可能原因也在文中给出了简要讨论。(2)对于-γγ→π0π0,KS0KS0,ηπ0,ηη过程,我们首次在kT因子化方法下系统地计算了各个道考虑twist-3修正的散射截面,并给出了与Belle实验组相关测量值的比较。我们的计算显示出,与π+π-和K+K-道类似,在中等能区twist-3修正对各个中性道的散射截面均能产生重要作用,散射截面理论计算的不确定度主要来自于twist-3相关的输入参数。并且twist-3修正后的散射截面能较好地符合目前Belle实验组对于各个中性道的实验测量。此外,我们也给出了中性道与带电道散射截面的比值σ0(π0π0)/σ0(π+π-)和σ0(KS0KS0)/σ0(K+K-)以及中性道散射截面之间的比值σ0(ηπ0)/σ0(π0π0)σ0(ηη)/σ0(π0π0)的分析,这为我们理解双光子过程的动力学机制提供了更多的信息。
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