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尽管SU(3)夸克模型成功地解释了低激发态介子和重子的性质,但强子的结构还远没有被我们完全理解;况且,使夸克和胶子束缚成强子的强相互作用由低能的QCD决定。当今,QCD的有效性是毋庸置疑,但是基于渐近自由的特点,它只是在高能过程中得到强有力的支持;不幸的是,低能QCD的跑动耦合常数α8很大,微扰论失效,目前还没有很好的基于量子场论的办法来处理低能的物理(格点QCD是个例外)。特别是含c和b夸克的强子和轻强子可能很不一样,因为重夸克足味道的单态;另外,众所周知,夸克和胶子分别属于SU(3)的基础表示和伴随表示,因而可能存在更高的Fock态,不仅是包含正反夸克的介子和三个夸克的重子,还可能有|qqg>,|qqqg>,|qqqq>和|qqqqq>等高能物理学家所谓的奇特态.事实上,QCD并不禁止他们的存在,尽管他们的产生率可能会被压低.寻找和确认这些奇特粒子是高能物理的重要任务.
即便是最简单的SU(3)夸克模型,重子因为拥有三个夸克,两两相互作用也是相当复杂,即使是经典物理,三体问题的求解也很困难,粗略的解也只是在特殊的情况下才能得到,现在还要考虑夸克的量子行为,情况会更糟糕,正确描述三个组分相互作用的足Faddeev方程,但正如经典三体问题一样,这个方程的解难以得到,一个被广泛讨论的物理图像是Diquark,两个组分被松散地束缚成一个色的-3态。正如超导中的Cooper对,Diquark不一定是空间的紧密束缚态,但可以作为一个整体和另外的夸克相互作用.这个图像能够简化我们的计算,即三体问题可以变成两体问题。是否这个图像有效且在唯象中可应用需要我们仔细研究.
在本论文中,我们从两个方面考虑这个问题.首先,我们在Bethe-Salpeter(B-S)方程的框架内,研究Diquark的性质,包括它的质量谱、波函数、电磁半径;由于Diquark被等效地看成点粒子,我们需要用形状因子来补偿它的内部结构,在我们的工作中,我们数值地获得了Diquark和玻色子耦合顶点的形状因子.另一方面,我们应用Diquak的图像去处理几个物理过程,以检验该图像.
自从夸克概念产生以来,Diquark的研究也就开始了,事实上,由于两个夸克处于SU(3)c的-3态中,它们相互吸引.它们可以形成标量和赝矢量(处于S波时),两个夸克必须满足Fermi-Dirac统计.在某些情况下,Diquark能够弥补夸克模型的不足,比如在高能的单举过程中观察到的自旋效应,用纯夸克图像描述重子会带来的一些问题,这些问题可以通过引入Diquark图像较好地解决.
本论文在B-S方程的基础上研究Diquark.我们定义了Diquark4×4矩阵形式的B-S波函数,推导了波函数应该满足的B-S方程。我们给出了0+和1+Diquark波函数的耦合方程和分波函数的归一化条件.我们讨论了求解Diquark方程的核,考虑到夸克一夸克之间和夸克一反夸克间QCD相互作用没有本质的差别,所以我们假定Diquark和介子的核形式足一致的,但是单胶子交换核的色因子差-1/2;对于线性势的选择,我们还引入了一个自由参数β,并在0~1之间取值,我们发现β=1/2是比较合理的。我们在求解B-S方程的基础上,计算了Diquark的谱和方均根半径。我们发现,对于包含重夸克的成分的Diquark,谱和方均根半径与文献给出的结果是一致的,但是对于完全由轻夸克构成的Diquark,结果显得不合理,这与我们使用了固定的轻夸克质量作为输入有关,应该像文献那样,用跑动的轻夸克质量来计算,这就需要把Dyson-Schwinger方程(D-S方程)和B-S方程结合起来研究这类的问题。
当然由于Diquark并不是真正的点粒子,它有内部的结构,因而它和规范玻色子的耦合需要用一个有效的顶点来描述,包含一个反映内部结构的形状因子。在B-S方程的框架下,我们研究了Diquark和胶子、光子、Z0、W±和π的耦合顶点,并且数值地给出了这些粒子与Diquark(完全由重夸克构成)的形状因子。我们的结果和唯象的理论符合。
关于第二方面,正如上面所述,应用Quark-Diquark的图像,我们研究了∧b的半轻和非轻衰变。在PQCD的框架下,应用唯象的Diquark与胶子耦合顶点,我们计算了∧b→∧c的半轻衰变的形状因子,用hybrid办法解决PQCD的端点发散的问题,即我们选择一个衔接点,在ρ接近1的区域,我们用HQET的结果,在另一端用PQCD的结果。之后,我们还应用该图像在光前模型下研究∧b→∧c的弱衰变,我们给出了形状因子和Isgur-Wise函数,计算了一些衰变过程的分支比和极化不对称性;我们还把该图像推广到∧b衰变到轻的强子的计算,轻强子的Quark-Diquark图像要更复杂.我们的计算结果和目前的实验测量都比较符合,这说明Diquark部分地反映了物理的真实,或者说是一个很好的近似。
为了体现我们在这个领域研究的完整性,在本论文中,我们还研究了一些介子的问题,在B-S方程的框架下,我们研究了DsJ(2632)的衰变,我们假定该粒子是夸克内容为c-s的介子,分别考虑量子数为0+的第一激发态和2+的基态的情形。我们计算了相应反应道的宽度和比值,我们发现各种情况的计算结果和实验测量都无法取得一致。目前的理论研究和实验观测均倾向于认为该粒子不存在,一个明确的结论还有待于将来更精确的实验测量。
最近,我们考虑了普遍的超越标准模型的理论中对ΔS=1的K→ππ衰变有贡献的算符,根据SU(3)L×SU(3)R的手征对称性和同位旋,我们构建了4夸克算符,并在手征微扰理论中写出了对应的算符,计算了手征算符的矩阵元<ππ|O|K>、|π|O|K>、<0|O|K>,并考虑了一圈阶的手征对数修正。这将有助于我们将来深入研究直接的CP破坏。