（理论物理专业论文）jψ→dsπdskdπ衰变的研究.pdf

ab s tr a c ti i i ab s t r a c t t h e h a d r o n i c d e c a y s , e l e c t r o m a g n e t i c d e c a y s a n d r a d i a t iv e d e c a y s o f c h a r m o n i u m j / tb h a v e b e e n w i d e l y s t u d i e d . t h e w e a k d e c a y p r o c e s s , a s r a r e d e c a y s o f j / v) , w e r e s e l d o m s e a r c h e d i n t h e p a s t . k i n e m a t i c a l l y 刀0 c a n n o t d e c a y i n t o d m e s o n p a ir s , h o w e v e r i t i s a b l e t o d e c a y i n t o s i n g l e c h a r m m e s o n . i n t h e s t a n d a r d m o d e l f r a m e - w o r k , th e fl a v o r c h a n g in g p r o c e s s e s o f j / ,o t o s in g l e d m e s o n h a v e a t y p i c a l b r a n c h r a t i o - 1 0 - s o r s m a l l e r a n d a r e p r e d i c t e d t o b e u n o b s e r v a b l e ; b u t n e w p h y s i c s b e y o n d t h e s t a n d a r d mo d e l m a y e n h a n c e t h e b r a n c h i n g r a t i o s b y u p t o t h r e e o r d e r s o f m a g n i - t u d e s ( as l a r g e as 1 0 - 5 ) f o r t h e s e p r o c e s s e s . s o s e a r c h f o r t h e s e w e a k d e c a y m o d e s o f j / v) p r o v i d e s t e s t s o f s t a n d a r d mo d e l t h e o ry a n d s e r v e s as a p r o b e t o n e w p h y s i c s . w e p r e s e n t a s e a r c h f o r t h e d e c a y s j / ,od s 7 r + + c . c , j / 0，d s k + + c .c . a n d j / rp* d * 一 二 + +c .c i n a s a m p l e o f 5 8 m i ll i o n j / t lr e v e n t s c o l l e c t e d w i t h b e s i i d e t e c t o r a t b e p c . n o e v i d e n c e f o r a s i g n a l is f o u n d f o r t h e s e d e c a y m o d e s a n d 9 0 % c o n fi d e n c e l e v e l u p p e r l i m i t s o n t h e b r a n c h i n g fr a c t i o n s a r e s e t a s : . b ( j / v) 衬 d s r + + c .c ) 1 . 2 x 1 0 - 4 , . b ( j l 0 d s k + + c .c ) 1 . 0 、 1 0 - 4 , .13 ( j i o，d 一 二 + +c .c ) 6 . 1 x 1 0 - 5 . k e y w o r d s j / to d e c a y , b r a n c h i n g r a t i o , w e a k d e c a y , n e w p h y s i c s 南开大学学位论文版权使用授权书 本 人完全了 解南开大 学关于收 集、 保 存、 使用学 位论文的规定， 同意 如下各项内 容:按照学校要求提 交学位论文的印刷本和电 子版 本; 学校 有权保存学位论文的印 刷本 和电 子版， 并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或 其它 手段 保存论文; 学 校有权提供目 录检索以 及提供 本学位 论文全文 或者 部分的阅 览服 务; 学 校有权按有关规定向 国家 有 关部门 或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : i 4 孙门年5, p a s 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名: 学位论文作者签名: 解密时间: 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 ( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最长1 0 年，可少于 1 0年) 机密*2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑 重声明: 所呈交的 学位论文， 是本人 在导师指导下， 进行 研究 工 作 所取得的 成果。除文中己 经注明引用的内 容外， 本学 位论文的 研究成果不 包 含 任何他人创作的、已 公开发表或者没有公开 发表的作品的内 容。 对本论文 所 涉 及的 研究 工作做出 贡献的其他个人和 集体， 均己 在文中以明 确方式标明。 本 学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名: a 1 1 4 1年 ” -a 日 第一章 引言 第一章引言 1 . 1 粒子物理学 自 古以 来， 人类就渴望揭示物质结构的 奥秘， 并通过各种途径来了 解我们的 世界。 几千年前， 古代哲人们借助猜想来推测物质的结构; 几百年前， 科学实验 把人类对世界的认识建立在坚实的物质基础之上， 从而揭开认识物质本原的新篇 章; 几十年来， 粒子物理的长足发展， 即粒子物理理论和现代高能物理实验的发 展， 使人们对微观世界的认识达到了异常精妙和异常深刻的程度。 粒子物理学是研究时间、 空间和能量等物质的基本属性， 阐述这些物质的基 本组成及其相互作用得的一门学科 u z l粒子物理学家的基本任务就是探索物质 的基本组成和支配它的规律， 寻找确定物质世界的统一原理和物理定律， 建立一 个能完美描述整个物质世界的统一理论。 为了 更深入地了解物质的结构， 粒子物 理学家一直在寻找能量越来越高的粒子束， 并把它们作为探针， 去研究粒子内部 的结构和粒子的性质. 对高能粒子的对撞和对撞产物的 分析是当今粒子物理实验 的最重要的工作。 因此， 也经常把粒子物理称为高能物理。 粒子物理学的理论基础 基本粒子分类 :2 一.二勺1 二十世纪初关于物质最基本组元的认识达到了核子水平。当时人们己经知 道， 物质是由分子和原子组成。 原子的中心是原子核， 外层是电子， 原子核是由 质 子和中子组成的. 半个多世纪后， 物质结构的 研究深入核子内部， 人们普遍意识 到核子有着丰富的组成成分， 它是由更基本的组元组成的。 根据目前粒子物理学 的理论， 物质的基本组分可分为 三类: 夸克、 轻子和传递相互作用的媒介子. 夸 克 和 轻 子 都 是 自 旋 为 盖 的 费 米 子 ， 目 前 都 被 认 为 是 类 点 粒 子 。 理 论 和 实 验 都 表 明 ， 夸克和轻子之间存在着某些对称性。 根据这些对称性可以将夸克和轻子分为三个 家族或三代: 第一代是上夸克( u ) 、 下夸克( d ) 、 电子( e ) 和电子型中微子( v e ) ; 第二 第一章 引言 代 是 粟 夸 克 ( c ) 、 奇 异 夸 克 ( s ) u 子 和 u 子 型 中 微 子 (v o ; 第 三 代 是 顶 夸 克 (t ) 、 底 夸 克 ( b ) 、 二 子， 和: 子型中 微子( u r ) 。 任何一 种夸克 和轻子 都存在反 粒子， 它 们具 相 同 的自 旋和 质量， 但其他相 加性量 子数 ( 如电 荷等) 具有相反的 符号。 媒介子 是 传 递四种基本相互作用的粒子的统称， 即胶子、 光子、 中间玻色子和引力子的统称。 此外， 还有与 夸克、 轻子 和中 间 玻色 子质 量问 题密 切相关的 h i g g s 粒 子， 但它 不 属 于上述类别。 各组元的性质如图1 . 1 0 na me s y mb o l二 澎 羹 e l e c t ri c c h a r g e # o f c o lo r c h a r g e s m a s s i n me v fo r c e ca r r i e r s v e c t o r b o s o n s plgton 000 一 醚stronginteractions 日weak 履interactions ofmatter眼圈圈圈 fermions目目霭圈 thethree目圈圈圈 5长曰，0 suold。 图1 . 1 . 基本粒子分类 1 . 2 .2 四种基本相互作用 物 质间的相互作用归结为四种， 即强相互作用、 电磁相互作用、 弱相互作用 和引力 相互作用， 有关的信息见表 1 . i . 二 十世纪初的物理学革命产生了相对论和量子力学， 两者成为近代物理学基 础理 论 。 在 此基础 上演 进而来的 量 子 场论以 及 1 9 4 5 年c . n .y a n g 和 m i l l s 提出 的规 范 场理论则是当代粒子物理理论的基础。 在自 然界存在的四种相互作用( 强、 电 磁、 第一章 引言 裹1 . 1 . 四种相互作用的性质 电磁相互作用弱相互作用强相互作用引力相互作用 源质量弱荷电荷色荷 作用强度 竺 1 h e 一1 3 7( 罕) ， 是 1 0 - 52-he 二1 0g m vh e 一 0 - 3 8 力程 ( m) 长程 ( c 短程 、 1 0 - 1 8 短程 1 0 - 1 5 长程 c 幻 传递者 光子 乍 中间玻色子 wf, z 0 胶子 9 引力子( 未发现) g 自 旋宇称 1 -1 71 -2 十 质量 m, =0 mw t =8 0 .4 mz o =9 1 .2 m9 二0 mg=0 理论描述 量子电动力学 ( q e d ) 量子味动力学 ( q fd ) 量子色动力学 ( q c d) 几何动力学 ( 广义 相 对论 ) 弱和引力相互作用) 中， 引力相互作用在宏观世界中发挥至关重要的作用， 而在 微观世界里效应十分微弱。它也是至今未能量子化的唯一的一种相互作用。 对 于其他三种相互作用， 在场理论的基础上， 都有与之相对应的量子理论。 时下公 认的粒子物理学中最成功的理论是描述电弱相互作用和强相互作用的标准模型 理论， 它包含两个部分: 一是描述电磁相互作用和弱相互作用的电弱统一理论， 即 g l a s h o w - w e i n b e r g - s a l a m 模型， 它包 括 描述电 磁 相 互作用的 基本 理 论- 量 子电 动 力学; 二是揭示夸克内部性质及其相互作用规律的理论一 量子色动力学。 电磁相互作用是唯一一种“ 身兼两职” 的相互作用， 它在宏观领域和微观领 域都起着重要作用。 量子电动力学认为， 粒子之间的电磁相互作用是通过电磁场 的量子- 光子传递的， 其相互作用强度是由无量纲祸合常数。 ， 也就是精细结构常 数来描写: ( 1 . 1 ) 上137 - 护-hc 一- 量子电 动力学是一门相当成功的理论， 从宏观到微观， 理论计算和实验事实都符 合得 很好。 尤 其是 关于轻子 9 因 子的 计算 和测 量， 实验 值和理论 值的 符 合己 经 达 到了 令人叹为观止的地步， 不能不称为是珍奇的成就 3 。 但另一方面， 对于电子 的电 荷为什么是量子化的? 有没有磁单极子的存在? 这些问题的解答都还有待于 第一章引言 理论与实验的进一步研究。 人们对弱相互作用的认识是从原子核的q 衰变开始的。 半个多世纪以 来， 对弱 相互作用的认识， 随着实验和理论的进展而逐步深入。 1 9 3 1 年， 泡利提出中 微子 假 设; 1 9 3 4 年费米 提出 a 衰 变理论 ; 1 9 5 6 年可 温和 莱因 斯探测 到中 微子 ; 1 9 5 8 年， 费 曼提出 弱作用 v a 理论。 但以 上 这些理 论基本上都是唯 象理 论， 而 且存在 着不 可 重正化 的困 难。 直到1 9 6 8 年， 格拉肖 ( l . g l a s h o w ) , 温伯格 ( s .w e i n b e r g ) 和 萨拉 姆 ( a . s a l a m ) 在过去 工作的 基础 上， 提出了 弱电 统一理论， 不但 进一 步揭示了 弱 相互作用的本质， 而且将弱相互作用和电磁相互作用纳入了同一理论体系， 这对 理解电磁相互作用和以后的理论发展也有重大意义。弱电统一理论的基本思想 是:根据弱相互作用和电磁相互作用的一些相通之处，将弱同位旋空间中的定 域s u ( 2 ) l 对称性 和弱荷空间 中 的的 定 域u ( 1 ) y 对称性结 合起来， 让 弱作 用和 电磁 作用 有统 一的 具 有s u ( 2 ) l . u ( 1 ) y 定 域规 范对 称性的 非阿贝 尔 规范 场 传递。 通过 定 域 规范 对称性自 发破缺的 h i g g s 机制， 使 s u ( 2 ) l 0 u ( 1 ) y 定 域规 范 对称性 破缺 到 只剩 一 个对应电 荷的u ( 1 ) ， 定 域 规范 对称 性。 破缺的 对 称性所 对 应的 三个 规范 玻色子获得质量， 成为传递弱相互作用的中间玻色子w士 和z 0 ， 而剩余的对称性 对应的电磁场分量仍无质量， 表明是光子， 它传递长程的电 磁作用， 从而使理论 中仍然包含全部的量子电动力学内 容。 描述夸克之间强相互作用的动力学理论一 量子色动力学( q c d ) 是一种具有严 格色s 州3 ) 定域规范 对称性的 非阿贝 尔 理论。 在该理 论中， 每种 味道的 夸克都 具有 三种颜 色， 而它们形 成的 粒子 ( 介子 或 重子) 必须是无色的 ( 色单 态 ) 。 所谓颜 色是一种形象的说法， 量子色动力学中的“ 色荷” 相当于量子电 动力学中的“ 电 荷” 。 强子的组分粒子是带色荷的夸克， 强作用力的载体是带色荷的胶子. 将色荷 与电 荷 类比， 考虑一带 有色荷的 夸 克， 它可 辐射胶子 ( 9 - 4 9 ) , 辐射的 胶 子又可 劈裂 ( s p l i t t i n g ) 为正 反夸克 对， 这样 原 始夸克 的 色荷被部 分屏蔽 ， 类似 于q e d 的电 荷屏 蔽; 但由 于 胶子存 在自 相 互作 用， 辐 射的 胶子也可 劈裂为 两 胶子 ( 9 -9 9 ) 或 三胶 子， 而 色荷周围 倾向 被同 色的 色 荷包围 ( 反屏蔽， 与电 荷 屏 蔽相 反， 电 荷 周围 则被 异号电 荷包围 ) ， 结果， 原 始夸 克( 带 有色荷 ) 的周围 被同 色的 色 荷包围。 这样 测量时， 离原始夸克越近， 测得的色荷越小， 这就是通常所说的“ 渐近自由” ， 即 夸克 和胶 子之间的 有效祸合常 数a , ( q 2 ) 随 着动量转 移q 增 大而 对数 下降， 利用 小 距离 时a e ( q 2 ) 很小 这一特 性， 理论 上可 对高能 强作用中 夸克 和 胶子的 产生以 及深度非弹性散射过程进行微扰计算和描述。 这一近似理论称为 微扰量子色动力 第一章引言 学 ( p q c d ) 。 然而， 在大距 离或 小动 量转 移时， 色 场的 作用 强度变 大， 当 带色 粒 子 间的 距离达到强子尺度1 0 - 1 3 c 7 n 时， 强作用力的强度会变得非常大， 以至于碎裂 的 末态 只 有无 色( 或 称单 色) 的 强子， 此即 强 作 用力 的“ 色 禁闭 ” 性质， 依 此可以 解 释带色强子和胶子为什么总是被禁闭在强子内部。 不过， 量子色动力学也预期有 解除禁闭的夸克、 胶子等离子态。 寻找这种物质形态温度需升到 1 0 2 4 k以上， 在 这样的高温和致密的强相互作用物质中， 带色粒子的性质可能会发生变化， 对这 类变化的观测会对更高密度的宇宙早期的物质形态提供判据。 标准模型诞生以来受到多方检验。 七十年代初， 在中微子实验中观测到弱电 统一理论的重要预言之一 弱中 性流的存在。 而在1 9 8 3 年c e r n 的 u a i 和u a 2 合作 组在实验上发现了弱电统一理论预言的传递弱相互作用的中间玻色子一 wf 和z 0 4 1 ， 并测出它们的质量与理论语言一致. 之后， 许多实验都在很高的精度内验证 了弱电统一理论的正确性， 有力地支持了标准模型的思想. 1 9 7 5 年 s l a c 首 次5 1 报导了 在e - = 3 g e v 到7 g e v的 e + e湮灭 中 强子 产生 的 两喷注结构， 实验发现末态强子集中在两个背对背的椎体内。 进一步的测量表明， 潜 在 部 分 子 的 自 旋 应 为 告 . 随 后 这 些 结 果 又 在 e _ = 1 4 g e v 到 3 4 g e v 的 e + e 一 储 存 环上p e t r a 上得到证实( 6 1喷注的产生可以 用夸克、 部分子模型解释， 即 e + e通 过电 磁 相互 作用 湮灭到q q ， 由 于色 禁闭， g q ia过 强相 互作用 碎裂为 无 色的 末态 强 子， 末态强子在一定程度上保持原来夸克的动量方向， 分布在沿原动量方向的椎 体内， 形成强子喷注现象。 喷注实验的发现及其合理的解释表明 深度非弹性散射 过程中夸克、 部分子模型基本思想的正确性。 1 9 7 9 年p e t r a 上m a r k - j (7 1 报导了 在 e -二1 4 g e v 附 近 观察到 三喷 注事 例， 分析表明这是由另一个电荷为零、自 旋为1 的部分子辐射形成的， 在实验上首次 观察 到的 q c d 预言的 胶子 存在的 迹象， 即 e + e * q q + g o 1 9 8 2 年 j a d e 合作 组 ( e 1 在v 亏 为 3 3 g e v 的 e + e 一 对 撞中 发 现四 喷 注 事 件， 通过对 四喷 注 事件的 分 析， 表明 胶子存在自 祸合。 1 9 8 9 年以来， c e r n . s l a g . p e r mi l a b 和d e s y 各实验组相继 对标准模型进行了广泛的研究， 提供了诸多强有力的实验检验。 三十多年来， 标准模型中的电弱统一理论这一部分和量子色动力学的 微扰部 分 ( p q c d ) ， 经 受住了 全 世界高 能物 理领 域内 大量的 实验检 验。 但是 标 准模型 理 论中的十九个自由参数带来的不确定性， 它对引力的忽略， 它不能解释代的成因 和质量的起源等一些更基本更深刻的事实， 如此一些列的问 题都有待进一步的 研 究。 这一切使得高能物理学向这两个方向 发展: 一是做超越标准的尝试， 探索新 第一章 引言 物理; 一是在高能量、 高精度条件下对标准模型最精密检验。 二者都期待着新的 机遇和新的突破。 1 .3 粒 子物理学的实 验工具 1 9 3 2 年正电 子的 发现 标着 粒 子物 理学 开始 成为 一门 独立 的学 科。 新的 实 验现 象推动了粒子理论的的完善与发展， 反之， 理论预言的验证也促使实验物理学家 不断设计新的实验仪器去观测和研究粒子的产生、 衰变和湮灭等现象。目 前， 高 能物理实验主要包括三部分: 粒子源、 探测器和数据处理系统， 三者所耗经费大 致相当。 数据处理是分析、 处理探测到的结果的工具，目前由大型的计算中心完 成， 本文不拟介绍。 1 . 3 . 1 粒子源 所谓粒子源， 就是提供高能 粒子的工具。 这样的“ 工具” 主要有三类: 宇宙 线、 加速器和对撞机。 宇宙线是加速器和对撞机建立前唯一的粒子源。 粒子物理 学的很多基础知识是从宇宙线的 研究中得到的， 但利用宇宙线的一个最大困难是 高能粒子束流强度的太弱。 目前， 主要依靠宇宙线中超高能粒子进行一些开拓性 的研究工作。 加速器是用人工方法产生快速带电 粒子束的装置， 它所负担的任务是把带电 粒子加速到一定的能量，提供给各种实验使用。研究的客体越小， “ 探针” 的能 量必须越高。即粒子束流能量越高， 波长越短， 就越能深入到物质内 部去获得更 多的信息， 这也就是要求加速器的能量越来越高的原因。 1 9 3 2 年， 欧内斯特 劳伦 斯 ( e r n e s t l a w r e n c e ) 在伯克 利大 学建 造了 第一台回 旋加 速器， 这是加 速 器历 史上 的一个大发展。 利用回旋加速器人们可以 获得中子束流， 同时还发现了人工制造 的放射性同 位素。 劳伦斯在推动和改进加速器性能和工程质量方面的决定性工作， 为当今加速器的广泛应用莫定了基础。 在过去的六十年间， 加速器的束流能量有 了 大 幅 度的 增加， 同时 单位 能量 的 造价 有了 大幅 度的降 低， 这些 改 进是 与 粒子物 理 互相 促进、 同 步发展的 ， 同时 又是 加速 器原 理与 技术发 展的结 果。 二十世纪六十年代末出现了 让两束相对运动的 粒子束团对撞来提高有效作用 能量的 对撞机， 从而把束流的等效能量推向新的高度， 有较好的性能一 价格比。 对 撞机在粒子物理领域二十年来的进展中 崭露头脚， 已经成为一种占主导地位的高 能 加 速器。 七 十年代， j / v) 粒 子、 二 轻子和 t 粒 子都是 相继在固 定 把加 速 器和 对撞 第一章 引言 机上获得的。 而要求能量更高才会出现的中间玻色子w士 与z 。 和顶夸克， 则都是 在对撞机上找到的。 历史上运行过的高能加速器共有二十几台， 目 前正在运行的 几个主要的 对撞机及其研究重点列于表1 .2 。 北京正负电 子对撞机( b e p c ) 是 现在 世界上唯 一运行在: 一。 h 二二 能区的一台 对撞机， 它的特点是， 亮度高， 探测器性 能优良。 自 运行以来， 已经获得了一系列重要的物理结果。 裹1 . 2 . 目前运行的几个主要高能对撞机及其研究孟点 名称类型能量( g e v ) b e p c c e s r- c be ra kekb p e p e tev a tron 国家 中国 美国 德国 日本 美国 美国 正一 负电子 正一 负电子 电子一 质子 正一 负电子 正一 负电子 质子一 反质子 3、 5 3、 1 0 3 0 ( 电 子) + 9 2 0 ( 质子) 8 ( 电 子 ) + 3 .5 ( 正电 子) 9 ( 电 子) + 3 . 1 ( 正电 子) 1 8 0 0、 1 9 6 0 主要研究对象 架偶素， : 轻子 粟偶素， d 物理 质子结构 b 夸克， c p 破坏 b 夸克 t 夸克 1 . 3 . 2 探测器 探测器是用来观察和记录粒子运动信息的实验工具。 高能探测器有径迹室和 电 子学探测器两种类型。 随着高能物理研究的能区的增高， 对高能粒子探测器的 要求也越来越高。 二十世纪七十年代以前， 高能物理实验主要利用径迹室进行。 径迹室主要包括泡室， 流光室和乳胶室， 其优点是直观、 接收度高、 测量精度高。 但数据收 集和分析整理的速度太慢、 体积不能 太大、 不适应能量很大、 截 面很小、 事例率很高的要求。 电子学探测器主要有气体 探测器、 闪烁体探侧器、 契仑柯夫 探测器和量能器。 每一类型的探测器都有其特定的功能。 例如， 漂移室能 准确地确 定带电 粒 子的位置、 电荷和动量; 闪 烁探测器可以 记录和鉴别粒子; 量能 器用来确 定所要探测粒子的能量。 但在高能物理实验中， 通常使用多种探测器进行粒子信 息的测量和记录工作， 这要求把所需的各种探测器联合起来， 再加上电子学线路、 磁铁和在线计算机等其他辅助设备， 就组成了 所谓的谱仪。 北京谱仪( b e s ) 就是 根 据北 京 正负电 子对撞机的 特点 而 设计的 大 型 通 用 磁谱仪， 它 主要 工作 在j / v 能 区进行， 一c h a r m 物理研究。 第一章 引言 1 .4 粱夸克偶素研究的历史与现状 聚夸克偶素的发现极具传奇色彩。1 9 7 4 年1 2 月，美国 物理评论快报同 时刊登了 三篇通讯。 第一篇9 1 是美国 麻省理工学院丁肇中 教授领导的实验组 于当 年1 1 月1 2 日 宣布的。 他们在布鲁 海汉实验室( b n l ) 3 0 g e v 交变梯度同 步 加速器 ( a g s ) 上 利用大型精密双臂谱仪， 通过测量高能质子打击披靶产生的e + e 一 对有效质量谱， 发现了一个质量为3 . 1 g e v 、 寿命相当 长的粒子， 命名为j 粒子。 第二篇11 0 1 是美国 斯坦福大学克特( b .r i c h t e r ) 教授领导的实验组于1 1 月1 3 日 宣布的。 他们在斯坦福 直线加速器中 心( s l a c ) 的s p e a r 正负电子对撞机上， 利用探测器m a r i o 测量 e + e - 湮没 产物， 发 现 3 . 1 g e v 处 有 共振峰， 但他们 称之为 v) 粒 子. 第 三篇11 r 1 是意大 利弗拉斯卡蒂( f r a s c a t i ) 实 验室， 在得知 b n l 实验室发 现j / 0粒子的消 息 后， 立即 提高了 其安东尼 ( a d o n e ) 加速器的 工作能量测量了 刀0 粒子的 性质， 并在1 1 月1 8 日 前公布出实验结果， 赶在同一期快报上发表。 这样， 从产生和衰变 两种过程同时发现一种粒子， 而且迅速得到证实， 结果又十分肯定， 这在粒子发 现史上是罕见的. 这一出乎意料的 发现和其在物理学上的重要意义立即 轰动了整 个物理学界， 打破了粒子物理学近十年来的沉寂。 新粒 子令人惊异之处在于 其质 量很大 而且宽 度极窄( 只 有几十到 几百 个k e v ) o 这一性质引起了多方猜测、 广泛的探讨和深入的研究. 后来的分析表明， 新粒子 是由 一 种新型的 正反夸克组成的 束缚 态， 现称之为 集夸克偶素 ( c c ) 。 这就证实了 由 b j o r k e n f q g l a s h o w 于1 9 6 4 年 提出 的 梁夸克 ( c h a r m q u a r k ) 的 假设【1 2 ， 以 及g a i l l a r d 和l e e 关于聚夸克质量在1 一2 g e v 之间的推断1 3 o 夸克偶素是研究夸克之间 相互作用力的理想体系。 在粟偶素中， 两个组分夸 克较重， 相对论效应较小， 用非相对论即可获得足够的精度。 类似于氢原子， 根据 一定的 位 势 模型， 人们计 算出 聚 夸克 偶素的 能 级分布。 首先 发 现的 j / 0 粒子 是集 夸克 偶 素 家 族的 s 波 三 重 态， 随 之 发 现的 喇 2 s ) 粒子 亦为 s 波 三 重 态11 4 1 。 之 后， 聚 夸克偶素c c 家族的其他成员也陆续被发现 1 5 1 。目 前实验观测到的聚夸克偶素家 族成员如图1 . 2 所示。 迄 今 为 止， j j 0 已 经 发 现 三 十 多 年， 由 于 其 量 子 数 为 .i p c =1 - - ， 可以 在 e + e 一 对 撞实验中直接产生， 以及寿命长、 本底低、 便于分析等特点， 人们进行了 大量而 持久的研究， 数以百计的衰变模式已 经被观测到并收录在 粒子物理手册 i 6 之 第一章 引言 kid s ) 一- d 8 , f -0 ) 、 、，施 op 的与 】 0 , ( 1 6 6 9 ) d o . 1 0 ) 0 ; ( 6 1 1 匀 氏口 月 殉 0 , ( 9 4 6 0 ) , 1 9 7 7 0 ) 石 1 2 3 ) s拓 群 与r/11 一 1 于火 h , ( 1 p ) k z ( l r ) l启 a . 。 ” 旧 一adi0a6 牙 r j 声 甲( 1 .4 ) 、 ( 1 3 ) 十 七 “ r . . j pc - 0 - 七 口 山 门 朋 尸.山 a li v e 1 - 0 - 图1 .2 . 桑夸克偶素家族 中。 运行在北京正负电子对撞机( b e p c ) 上的北京谱仪( b e s ) 即是系统研究粟夸克 偶 素的实 验组之一， 并取得了 许多重 要的 物理结果 1 7 1 1 . 5 论文选题动机和论文结构 三十多年来， 标准模型经受住了 全世界高能物理领域大量实验的 检验， 获得 了 极大的 成功， 但这并不意味着标准模型就是一成不变的理论。 人们在超越标准 模型的物理 ( 即所说的新物理) 研究方面做了许多的努力和尝试。 目 前， 尽管还 没 有超越标准模型的理论被实验证实， 但是寻找新物理的研究已经成为现代粒子 物理学研究的热点之一 j/ 砂 粒 子 在 d d 产 生 闽 值 以 下， 无 法 衰 变 到 d d 介 子 对， 只 允 许 到 单 个 聚 介 子 的 过 程存在。 这类过程集数不守恒， 只能 通过弱相互作用进行。 标准模型理论预言， 这类c a b ib b o 压制的弱作用过程分支比 大约为1 0 - 1 量级或者更小【 1 8 1 ， 对于b e s 采 集的 5 8 0 0 万 j / v) 数据， 它 们是 不可 观 测的 ; 但是 某些 标准模型 之 外的 新 物 理 可以 使 得 此 类 过 程 的 分 支比 提高 三 个 量级 ，使 之 达 到 1 0 - s 1 9 水 平. 因 此 ， 对 这 类 刀劝 粒 子 到只 含有单个聚介子弱衰变过程的研究， 可以 检验标准模型的 预言， 同 时也为某些 标 准 模 型 之 外的 新 物 理 提 供 一 些 有 益 的 线 索20 1图1 . 3 为 刀 t h *d s 7 r + , j / v ， d s k 十 和刀叻- 1 d - , r 十 衰变过程起 主要 贡 献的费 曼图。 目 前 还没 有 这 类过程存 第一章引言 在 的 证据 被发 现， 本文 利用 北京谱 仪 ( b e s ii ) 在北京正负电 子 对撞机 ( b e p c ) 上采 集 的 5 , 8 0 0 万刀叻 数 据， 寻 找可能 的 弱作 用 衰变过程刀劝 *d 犷 砂 十 。， 刀 叻* d 梦 k 十 + c . c 和刀砂*d 一 7 r + + c . c e “一.口 月 卜 -， 一s心 . . ， ， ， 叫 ， 卜 -日 一， ， 弓 卜 -s 月.月.月. - - - - . . - - - 行 一 c亡 -一 司 一 - - - 一 - 一 一 - - - 一亡 ( a )伍 ) 份， 户， ， 叨 -一一户 一明卜 - ( c ) 图1 . 3 . ( a ) j f q 6 、d ; 一 二 + i ( b ) j i ip，d ; - k 十 和 ( c ) j f a p ，d -e 过程 起主 要贡 献的 费曼图 根据研究内容， 论文的结构安排如下: 第一章简单介绍有关粒子物理学的基本知识， 然后介绍了本论文研究的 意义、 内容以 及论文的基本结构。 .第二章介绍粒子鉴别的基本原理和方法 ( 包括带电粒子和光子) 。 。 第 三 章 详 细 介 绍 j / 0 *d s 7r + + c .c 和 j / 7k *d s k + + c .c .衰 变 道 的 分 析 。 第 四 章 详 细 介 绍 刀 v) - d - 7r+ + c .c 衰 变 道的 分 析 . .第五章对分析结果做总结与讨论。 。附录1 简单介绍北京谱仪的主要结构和各个子探测器的性能， 第二章 粒子鉴别的基本原理和方法 第二章粒子鉴别的基本原理和方法 通常粒子物理实验所研究的事例末态包含多种不同种类、 不同动量的 粒子， 比 如7r 介子、 k 介子和质子等， 对这些末态粒子的选择和鉴别是事例选择的 基础。 粒子经过探测器时与探测器中的物质发生相互作用， 不同种类的粒子与介质的作 用形式不同， 相同的粒子与不同 种类探测器的介质作用形式也不同， 并且不同种 类的事例在探测器中的运动学特性也不尽相同。 因 此， 只有对末态粒子在探 测器 中 运动性质及其与探测器中物质的相互作用有清楚的了解， 才能有效地鉴别出所 要的事例， 当然， 不同的实验在不同的能区， 往往根据不同的物理实验目 的 设计 不同的探测器， 在尽可能大的立体角内 尽可能精确的测量末态粒子的相关信息， 以 供物理分析使用。 在北京谱仪工 作的能区， 事例的末态粒子中的带电粒子 主要 有电 子、 # 子、 了 介子、 k介 子 和 质 子， 中 性粒子 包 括中子和光 子。 下面 对带 电径 迹的选择、 带电粒子的鉴别、 好光子的选择以及在物理分析中经常使用的运动学 拟合方法作进行介绍。 2 . 1 带电径迹的选择和鉴别 在对带电 径迹做粒子鉴别前， 一般首先要对事例进行初选， 排除一部分 本底 过程。 2 . 1 . 1 带电径迹的初选 1在进行数据重建时， 顶点 室( v e r te x c h a m b e r ) 参与了重建， 并重建出了 带电 径 迹， 但是仅采用从顶点室重建出的带电径迹的信息不可靠。 所以首先要 排除 没有主漂移室信息， 仅从顶点室重建出的带电 径迹。 这就要求每条带电 径迹 都是由 主漂移室( ma i n d r i ft c h a m b e r ) 重建出来的。 2 . 带电 径 迹动量的 重建质量要 好。 要求动量的 螺旋线拟合值等于2 ， 即m fi t = 2 . 3 . 为排除宇宙线以及束流与管内 气体相互作用的本底， 要求每个带电 径迹都是 从 顶 点 衰 变 出 来 。 拟 合出 的 初 级 顶 点 与 原 点 在x - y 平 面 的 距 离殊 2 c m , z 方 向 的 距 离z i 2 0 c m 。 对 于 末 态 有 寿 命 较 长 的 共 振 态的 衰 变 道 除 外 ， 例 如码 第二章 粒子鉴别的基本原理和方法 和a 。 它们是飞行一 段距 离后 才开始衰变， 具有次级顶点， 这时 上述对顶 点的 限制就不太合适， 根据具体情况可以适当把条件放宽。 横动量大于7 0 me v / c ， 以 排除在主漂移室( md c ) 中“ 打旋” 的径迹。 带电 粒子 从对撞中心飞出后， 在主漂移室中受到磁场的作用将会发生偏转， 如果带电 粒子的 横动量较小， 它在主 漂移室中 沿着z 方向 的分量做螺旋运动， b e s中 心轴线处的磁场为0 a t e s l a ， 主漂移室的半径约为1 . 1 5 米， 横动量与磁 场和 半径的关系为: 凡。 =l 5 p b ( 2 . 1 ) 当粒子偏转直径为主漂的 半径时， 粒子的横动量是粒子飞出主漂移室的 最小 横动量， 通过上面的 关 系 式 ( 2 . 1 ) ， 可以 得到 最小的 横动量 大 约为7 0 m e v / c . i c o s 酬 0 .8 0 , 0 是 带电 粒 子 在实 验室坐 标系中的 极角， 也 就是 动量 与z 方向 的夹角。 粒子穿过主漂移室时， 与主漂移室中的物质发生相互作用， 留 下一 条径迹。 0 角越大， 粒子穿 过信号丝的层数越多， 在主漂移室中留 下的信息越 多， 重建出 的 径迹越可 靠， i c o s 0 10 . 8 0相当 于 粒子穿 过 主 漂移 室中 的 六层 信号丝。 6 . 根 据j / vl 粒子具 体的 衰 变 过 程， 要求 满 足以 上 条件的 带电 径 迹的 数目 为n m d c ( 一 般 情 况 下 ， n m d c = 2 , 4 , 6 )并 且 要 求 总 电 荷 怡c q 、 一 。 。 2 . 1 . 2 带电粒子的鉴别 在带电 径迹的初选工作完 成之后， 我们就可以对带电 粒子进行鉴别， 以 判断 它们是哪种粒子。 b e s 上曾经使用过的粒子鉴别方法有s p s s 方法2 q 、 相对似然 法【2 2 1 和神经网 络 法2 3 1 。 本文 主 要 对二 、 k 粒子 进行分 辨， 选用 b e s 库中 p a r t i d 方 法一 似然函数法。 它综合考虑了b e s 中的d e td x 和t o f 信息， 认为测量值与预期 值之差除以分辨率是服从平均值为0 ， 均方差为i 的标准正态分布。 对于一组测 量值， 可以 计算出不同 粒子的 预期值的偏离程度， 根据不同 粒子的预期值的 偏离 程度从而可以 进行粒子鉴别. 2 . 1 . 2 . 1 利用d e / d x 信息鉴别粒子 m d c的工作原理: 当高能带电粒子通过主漂移室时， 与主漂移室电极间的 气体分子相互作用而损失能量， 同时， 主漂移室中的气体分子被电 离， 产生正负 第二章 粒子鉴别的基本原理和方法 离子对。 在外加电场的作用下， 初级电离的电 子向阳极丝漂移。 由 于信号丝附近 电 场极高， 初级电离的电子被加速从而获得极高的能量， 再次与气体发生作用而 使气体分子电离， 这样不断发展下去， 直到次级电子的能量低到不能再发生电离 为止。 这一级联过程称为“ 雪崩放电” ， 最后 产生的电 子被信号丝接收 而可以 用电 子 学 来测 量 。 利 用 信 号的 幅 度 大 小 来 表示 电 离 能 损d e j d x ， 即 单 位 距 离内 的 电 离 能损失。 速度为刀 的 带电 粒子通过介 质时的电 离 能 损d e / d x 由b e th e - b l o c h 方 程 d e ， ， ，z ( 1 ，f 2 7n , c o l -y 2 t m a a 1 、 s 1 八 万 一 t o -, 飞 2 tn 一 1 2少 一 p 一 2 了 给出 ， 式中几。 、 k, z . z . a和i 等的 定 义见文献1 6 1 。 在薄 层介质中， 尤 其是 对像b e s 主漂移室这样的薄层气体介质， 由 于碰撞过程存在统计涨落， 带电 粒子 能量损失分布是很宽的l a n d a u 分布 2 4 1 。 单位电荷的带电粒子损失的最可几能量 由l a n d a u 公式给出: a e i 2 二 二 。 4 t ( , ( 2 m e v 2 ( 2 7 r n e t / m , v 2 p ) 2 . 。 i n 。 c 1 一 o x l, 一 n le i 2万 飞 “ 又 - - 1 2 ( 1 - 两 一 一夕 一 p 十 “ l o o 一 。 了 式中。 、 p . 1 和t 分别为 介 质单位体 积中 的电 子数、 物质密 度、 平 均电 离电 位和 介 质的 有效厚度; 。 和二 。 为电 子的电 荷和质量; v 为带电 粒子的 速度; 占 是由 于 密度效应引起的修正。 对于特定的介质， 带电 粒子通过介质时的电 离能损是其速 度的函数。 换句话说， 相同动量的不同 粒子， 由 于其质量不同， 则其运动速度也 不同 ， 从而它 通过 介质时的电 离能 损 是 不同 的， 这样就可以 利用d e l d x 信息 进行 粒子鉴别。 从图2 . 1 中可以清楚地看到不同 种类的 粒子对应于不同的带。 在交叉区， 不 同 种 类的 粒子的区别比 较困 难。 从中 可清楚 看出二 、 k和p 对应三条不同的带， 带的 清晰 程度反映d e l d x 粒子鉴 别能 力的 强 弱. 定义d e / d x 相对于各种粒子假定的偏离为: x d e / d x =( d e l d x ) 二 。一 ( d e / d x ) _ p 心 e / d s 的幅度， i ( 2 .4 ) 公 式 ( 2 .4 ) 中( d e l d x ) . 。为 测 量的d e / d x 和嗡/ * 分 别 为 第i 种 粒 子 假 定 下d e /d x 上 ， x d e / * 应 为 n ( 0 , 1 ) 的 标 准 正 态 分 布 。 迹是第i 种粒子的可能性越大。 =e , a ， 二 ， k或p ， ( d e l ) e s 的幅度分布的预期值和标准偏差。 原则 显 然 ， x d b / 的 绝 对 值 越 小 ， 测 得 的 径 第二章 粒子鉴别的基本原理和方法 不 严.二伽.-. 3000翻2000 ， “气 嘛澎输赫会 杯 500000500 00 20 . 4 0 月0 111 召1 . 4， 月， 月 p g . 切c 图2 .i b es上de/ dx信号 幅 度 与 粒子 动 量的 关系 2. 1 么