（理论物理专业论文）jψ和ηc衰变到ppππππ的研究.pdf

a b s t r a c t u 8 i l l gt l l e5 8n l i l l i o n 彤妒d a 屯ae o l k e t e db yb e si ia 专拖eb e 珐i n ge l 档t i o np o s i t r o ng o l 一 】i d e r ( b e p g ) ，t h ed e c a ，so f ，妒8 n d 啦t 。j 币丌+ 霄一丌+ 霄一6 n 出s t a t e sh a 憾b e e n8 n i ( 王i e d ，a n d t h ed e ( ：f d ym o d e 8i n c l u d e 彤妒一硒霄+ 霄霄十霄一，j 脚一互一暑+ ，影妒_ e 一租3 8 5 ) + ( 1 3 8 5 ) ， 妒_ e + ( 1 3 8 5 ) 一( 1 3 8 5 ) 8 n d 仉_ p 研+ 丌一 一w i t ht h eo b 8 e r 、佩t i o no fan e a 卜t h r e s h o l d e n h a n e e m e l l ti nt h e 印m a s ss p e c t r u mf 如mr a d i 8 t i v e 彤p 戚_ 舞jd e c 8 y s ，i tb e c o m e 8i m p o r t a 啦 t 0r e s e a r c h ，妒d e c a ”i n t ob a r y o n s s o ，j 妒_ 芦岸a ，妒_ p 硝e 。a n d 。，妒_ p o ( 1 3 8 5 ) h a s8 1 8 0b e e n8 n l d i e d t b em e 船u r e db r a l l c h i i l gr a t i o s ，i n d n d i n gs t 戢i s t i c 8 le r r o r 晕n d8 y s t e m a t i c e r r o r ，a r el i 8 t e di nt h ef o n d w i n gt a b k t ba v o i di n t r o d u c et h ee r r o ro fj 讪_ 7 啦i nt h er e 8 u l t ，w e g i v eb r ( j 砂_ ，印c ) b r ( 啦- 馏露( 丌+ 霄一) ) = ( o 7 8 士o 1 8 士o 2 1 ) l o d e c 8 y m o 氐马r 8 n c h i n g 如i 0 ( 1 0 4 ) e e 8 n l o d e b r 嫡c h j n gr a t i o ( xl 。一4 ) p 邸( 7 r + 霄一) 2 1 9 土0 2 0 士o 2 6 p k a 4 6 0 士0 1 1 士o 5 9 豆一慧+ ( 1 5 3 0 ) 1 6 7 士o 4 3 士0 2 8 k 斗k 4 4 6 o 1 1 士o 5 2 飘一e 十 9 6 3 士o 4 7 士l 。7 8口k 一囊o1 。7 8 0 1 0 土0 2 5 + ( 1 3 8 秘囊一( 1 3 8 5 ) 9 。4 0 士o 4 4 圭1 7 lk + 芑o1 稻士o 1 0 圭0 。2 2 一( 1 3 8 5 ) 宝+ ( 1 3 8 5 ) 8 2 8 士o 7 6 士1 健 p 胃一挚( 1 3 8 5 ) l 。0 9 圭o 1 7 圭0 2 6 芦k + 铲( 1 3 8 5 ) 0 5 4 土0 2 2 土o 1 4 a c c o r d i n g t ot h e b r a n c h i n g r a t i o s o f ，脚 叶 一( 1 3 8 5 ) e 十( 1 3 8 5 ) a n dj 脚 一 + ( 1 3 8 5 ) 窭一( 1 3 8 5 ) ，w eg e tt h er a 乇i o ：l 舞= ( 3 2 士2 4 ) w h e r ea 糟p r 峨n 8 恤ed i r e c th a d r o n i c c o n t r i b u t i o n ，dr e p r e s e n t se l e c t r o m 砸舛e t i cc o n t r i b u t i o n t h i 8r 鹪u l ti sc o n s i 8 t e n tw i n lt l l er e s u l t o f 岛i = ( 4 1 士2 毒) w | 矗d l p e r 妇n l e db y d m 2 诫t 圭l i n 唧r o r 粥d 越s oc o n 蠡r 扛堪t h e f a c t t h a t i n t h e s u ( 3 ) a l i 侧碰刀妒b a r 粥n i cd e c a y g ，t h ee l e c t r o m a g i l e t i cc o n 槭b u t i o ni 88 m a l l t h e 。r e t i c 乱m o d e l 8b a 8 e do n 娃r s to r d e rq g dc 越c u l a t i 。n 8g i v ep r 砒i c t i o n sf o r 伯ea n 群l 村 d i s t r i b u t i o no ft w db a r y o n 瓤矗s t 8 t e s i n 七h e s em o d 幽t h ea i l 刚a rd i s t r i b u t i o n o fj 加_ 风魄 c a nb e w r i t t e n8 8 蒜“( 1 懈确) w h e r e 毋i s 电h e 眦l 毫i eb e 慨n 七l 时b r y a na n dt h ep o s i t r o b e a md i 聃c t i o n ，黼dn i st h ea n g u l 辩 d i 8 t r i b l l t o np 盯a m e t e r t ka n g u l 舭d i 8 t r i b u 廿0 1 1 so f 妒一置一置十h a 聃b e e ns t u d i e d 地g e t n ( j ，妒+ 星一e + ) = o 5 l 士0 + 2 6 主o 1 9 k e y w o r d s b r 8 n d l i 嘴r a t i o ，j 妒d e c 嘲 r e s o n 黼c e ， 啦d e c 蝴 d e t e 战i 。ne m e i 鼬蟛 i i 第一章引言 第一章引言 本章介绍了粒予物理学的理论基础和实验方法，粲夸克偶素研究的历史及现状，论文 选题的意义和沧文结构。 l ，1 粒予物理学 粒子物理学是研究物质最基本维元的特性及其相互作用援律的一门蓖泌学辩山。 人类认识自然的历史和人类魔身的历史样漫长，自古以采，人类就想揭示物质结梅 的奥秘。古代的先哲们对此提出了备种各样的观点和理论，由于时代的局限，他们的鼹 点和理论或多或少带有猜测的成分。只有到了近代，从伽利略开始，人类开始把自已对 自然的认识建立在坚实的科学实验的基础之上，从而才使得人类揭示物质结构的愿望成 为可能。 1 ，1 1 粒子物理学的理论基础 二十世纪初关于物质最基本组元的认识达到了核子水平。当时人们爵经知道物质是 由分子和原子组成的，原子的中心髭原子核，外层是电子，原予核是由质子和中子组成 的。半个多世纪屠，物质结构的研究深入到了核予内部。人们酱遍意识到核予有着丰富 的组成成分，它是由更基本的组元组成的。缆在，人 f 】在夸克这个层次上把构成物质的 微观粒予分成三类，即夸克、轻子秘媒奔子。夸竟和轻予都是盎旋为 的费米予，嚣蓠 都被认为是类点粒子。夸克有带( + ；) 电蘅豹上夸党( n ) 、鬃夸壳( c ) 和顼夸克( 1 ) ，以及 带( 一 ) 电穗的下夸克( d ) 、奇夸克( s ) 和底夸宽( 妨；轻予誊带( 一1 ) 电荷的电子( e ) 、p 子( p ) 和r 予( r ) 以及不带电的三个相应的中微子( “) 、( 唯) 和( 蚱) 。图1 1 为基本粒子 的分类示意图。 理论和实验上都认为，轻子和夸克之闯存在着一些对称性。按照它们的质赞和性质可 以将它们分为三代，每一代都有个电祷为( + ) 酌夸克和一个电荷为( 一女) 的夸克，以 及一个中徽子和一个带电轻子，每一代总电荷相等。 夸克 轻子： 嚣：i ( 洲：) ， 电蘅 一 d 广s7 、67 ， 塞芸二 ( ：) 、( ：) 、( ) 。 电荷一l 。7 、p ，、r 厂 第一章引言 n n m e s v m b t ) l ， r r h et h r e e ( e n e r a t i o n s f e r m i o n s e l c c i n cc h a r z c # o fc 0 1 0 lc h a l g e s m a s i l l m e v f o r c e ( ：a r e is v e c l o rb 0 s o n s ；z ” o ! 蚕。t 蘸w 献 瞄蜀j 1 ”。”。t i s l w 。著 圈1 1 基本粒子的分类 饪何一秽夸克积轻子都存在反粒子，它们具有耀阉的自旋和质爨，但其它椐加牲量子 数( 虫电荷等) 典有相反的符号。另外，每一味的夸克分为三色( 红、绿和黄) ，反夸克具有 反色。 自然界存在四种基本相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互 作用。表1 1 绘如了四种相互作用的基本特点衄。 媒介子是传递四种基本自然力的粒子的统称，即光予、中间玻色予、胶子和引力子的 统称。在理论上与夸克、轻子帮中滴玻色子的质量谣鼷密切相关的h i 9 9 8 粒子不属予上述 类别。 如今的粒子物理中，最成功的理论是称准模型阎。它包括两部分：是有关电磁力和 弱力的统一理论，即格拉肖一温使格萨拉姆电弱统一理论；二是搦承夸克性质及其相互作 羯规律的量子色动力学( q a d ) 理论。 弱电统一理论的基本思想是：根据啦磁力和弱力的一些相通之处，将同经旋窆闻中的 定域s u ( 2 ) l 对称性和弱荷空间中的定域u ( 1 ) y 对称憔结合起来，让弱作用和电磁作用由 统一的具有s ，( 2 ) o ，( 1 ) y 定域规范对称性的非阿霓尔煺范场传递，通过定域规范对称 2 翟誓型蒜卫蔷壁 西翌蜀翌习甚囡囵圜园圜园图圆圈园同园 第一章引言 襄1 f 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g l 力相互作用 源质量弱赫电祷色荷 作用强度 蒜= 南( 写萨) 2 乏一1 0 如若型1 0警一1 0 q 8 力程长程短程短程长稃 ( m ) 1 0 1 81 0 1 5 。o 光子中间玻色予胶予引力子( 尚未发现) 传递者 ，、z o g g 自旋字称 l ll 一2 + 蜘= 8 0 4 质疑( g e v ) a 乱篇o 鹄= o一o 如。= 9 1 2 量子电动力学 量子睬动力学最子色动力学几何动力学 理沦描述 ( q b d )( q f d )( q c d )( 广义相对论) 性自发破缺的h i 9 9 8 机制，使s ，( 2 ) eou ( 1 ) y 定域艘范对称牲破缺到只剩一个对戏电耩 的u ( 1 ) y 定域规范对称性。破缺的对称性所对应的三个规范玻色予获得很大的质量，成 为中间玻色子w + ，彬和z o ，它们所传递的是短程的弱作用；两剩余对称性对应的电 磁场分量仍无质量，表明是光子，它传递的最长程的电磁作用。 播述夸克之间强相赢作用的动力学理论- 量子毪动力学( q g p ) 楚一种具有严格色 s u ( 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，蕊它们形成的粒子( 介子或熏予) 必须是玉龟的( 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”。强予的组分粒子是 带色髓的夸克，强作用力的载体是带色蘅的胶子。将色蔚与电萄类比，考虑一j 繁有色蘅 的夸克，它可辐射胶予( 口一口9 ) ，辐射的胶予又可劈裘( s p l i t t i n 亩为正反夸尧对，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；但由于胶予存在自粳互作用，辐射 的胶子也可劈裂为两胶予( 口一9 们或三胶子，丽色荷周围倾向被同色的色荷包豳( 反屏 蔽，与电荷屏蔽相反，电荷周围则被异号电耪包围) ，结果，原始夸克( 带有色苟) 的周围 被闻色的色荷包酗。这样测量时，离溅始夸克越近，测得的色荷越小，这就楚通常所说 的“濒近自由”，即夸克和胶予之间的有数耦台常数( q 2 ) 随着动量转移q 增大丽对数 下降，利用小距离时o 。( q 2 ) 摄小这一特性，理论上可对商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。这近似理论称为微扰量子色动力 学( p q c d ) 。然而，在大距离或小动量转移对，色场静作用强度交大，当带色粒子闻的距 离达到强子尺度1 0 1 3 c m 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”性鹱，依此褥以解释带色强子和胶子为 3 第一章引言 什么总是被禁闭在强予内部。不过，量子彘动力学也预期有解除禁闭的夸克、胶子等离 子态，寻找这稚物质形态溢度需升到1 0 2 4 n 皴主，在这样的高添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。七十年代拐，在中徽子实验中残测到弱作用和电磁 作用的弱电统一理论熏要预言之一一弱中 生流存在，而在1 9 8 3 年c e r n 的u a l 和u a 2 合 俸维在实验上发现了弱电统一疆论预言的传递弱捐互侔糟中间玻色子w 和驴| 4 l ，并 测出它的质量与弱电统一理论的顸翥一致。而后许多实验都在很高的精度内验证了弱哇土 统一理论的正确性，有力地支持标准摸型基本理论的正确性。 二十多年来，标准模型中的电弱统一这部分和量子色动力学的微扰部分f p q e d ) ， 经受住了全世界高能物理领域的大量实验的检验。但是标准模型理论中的十九个自由参 数带来豹诸多不确定鞋，它对弓| 力的忽略，它不熊解释代的成溺帮质爨豹起源等一些更 基本的问题，这就使得粒子物理学正向着两个方向发展：一是在高能量下做超越标准模型 的探索，寻找薪物理；一是在低能量、高精度的条件下对标准模戮做精密检验，二者都期 待着新的枫遇帮新的突破。 1 1 2 糙子加速器 粒子加速器是用人工方法产生快速带电粒子雍的装鼹，它利用电磁场将带电粒子 隶( 鲡电子、正电子、矮予等) 加速到缀鑫豹能量，濒班称为加速器。 在加速器问世之前，人们用以轰击原子核的粒子柬有两种，一种是天然放射性核索发 出的射线，另一种是来自天井的高能宇宙射线。前者固然简单方便，但因放射性核素产 生的粒子的流强太低，能量不高，产生核反应的机率缀小，因而能观测到的反应事例数 太少。作为“天外来客”的宇宙线，尽管能擐可商遮1 0 1 6 m e v ，但其强度极弱，并且粒 子能量每升裹一个量级其流强大致下降弱僚。粒子加速貉浆必要牲表现为：鞭子柬流能 量越高，波长越短，就越能深入到物质内部去获取更多的信息，这也是要求加速器的能 量越来越高的原因。6 0 年代米出现了让两荣相翔运动的粒子束对撞来提高有效作用能的 对撞机，从而把束流的等效能量推向新的高度。对撞极大大提离了有效作用能量，有较 好的性能价格比。对撞机已成为一种占主导地位的加速器。表1 2 列出了目前运行的几个 主要离能对撞枧及其鹾究重点。表中的黯撞艉和其他类型的加速器工雅在不羁能区，有 各自的研究对象和任务，它们有分工有合作，互相补充，共同促进高能物理的发展。北 京正负i 蛰对撞机f b e p c ) 帮j t 京谱仪( b e s ) 主要在r 一粲能区进行相关物理研究。 4 第一章引旨 表1 21 l | = 界上主要的高能物理对撞机及其研究对象 名称国家 类型 能量( g e v ) 主要研究对象 b e p c 中国正负电子3 5 粲( c ) 夸克，r 轻予 g e 8 r美国正负电子1 0b 夸克 拄e 巍a德国电子一质子 3 0 ( 电子) + 8 2 0 ( 质子) 痕予结构 t e v a t r o n美国 质子反震予 1 8 t 夸克 b a r b a r 美国正负电子 9 ( 负电子) + 3 1 ( 正电子) b 介子，c p 破豁 b e l l e日本正负电子 受电子) + 3 5 ( 正电子) b 介子，c p 破坏 1 2 t ，砂粒子的发现和粲偶素的研究筠发篪状况 1 9 6 4 年三夸克强予模型提如后，理论上所预意的许多粒子都相继被发现。很多强予 和共振态现象也得到了解释，高能物理出现了短暂的停滞状态。但这并不是说商能物理 中不存在问题，如采只有三种夸克，那么出弱电统一理论可以预亩，粒予相互作用中应 存在奇异数改变的中性流，但实验中始终未能发现。为了解决这一问题，1 9 7 0 年格拉肖 和迈阿密等人把第四种夸克日l 入理论之中，使奇异数改变能中性流从理论中自凌消失。 就在四年压，实验上发现了e 夸克偶豢刀妒鞍子势缀抉被诞实，这在粒子发瑷史上是十 分举觅的。这出乎意料的发现及其在物理学上的熏要意冀立却轰动了整个物理学界， 打破了粒子物理学近十年来的沉寂。这被誉为赢能甥理学界的“十一月革命”。之后不 久，在s p e a r 上又发现了似2 s ) 粒子，紧接着实验上确定了它们的量予数为j 胛= 1 一和 其它的基零性质( 如宽度很窄、寿命长等) ，并分捱了它们的组成成分，结果表明它妇 是由c ：组成的粲夸克偶索。之届粲夸克偶素e i 的冀它成员键陆续被发现。图1 2 是非相对 论势模型预期的井虽已经在实验上观察到的粲夸克俩素谱，它整缆出与氯原子及电子祸 素的能级图十分横叛的性质。凝中诸态采用了原子光谱的标记方法n 2 s + 1 幻，s 为正反 夸克自旋角动薰之和( 0 或1 ) ，五为它们的相对轨道角动薰，l o ，1 ，2 ，3 分别标记 为s 、p 、d 、f 等；j 为总角动量歹= 三+ 蜃，挖为径商爨予数，朗经商波函数节 点数加l 。态的宇称_ p 及电荷麸轭字称a 则分别满足p = ( 一1 ) 。+ 1 及g 一( 一1 ) 8 的关 系。l 膨已经证实为s 波三重态的麓态1 3 ，审( 2 s ) 刘是它豹第一径向激发态2 3 国。 更高豹径i ；习激发态密现程粲数开敖阙馕( 相当予产生对最轻的粲介子d 西麴度心系能燕 。3 7 3 0 m e v ，简称粲阈) 以上，它们以宽度大而区别于窄筵振卅妒及妒( 2 s ) 。这种宽度t 的明显变化可以借助于o z i 援则( 0 k u b o z 黼i 磬n 籼b 8 规舞或称z 州g 规刘) 得茔4 勰释a 该 规则说明在正常情况4 f 粲夸克偶素( c 芒) 的强衰变应该为： ( c a ) 一( 国) + ( c 口) 5 第一章引言 掣i 4 l 钟 畸 州4 i 螂 百忑f 城 面 v 3 坼 d 1 5 ) d 一蚺9 d 1 鲫町 吣2 5 ) 玑偿 划2 帅 ，cr f i * 闰1 2 粲夸克偶素家族 其中q 指的是s u ( 3 ) 夸克( ，d ，s ) 。这就是说粲夸克偶素强作用衰变出来的粒子应为带粲 夸克的各种介子，完全改变初态夸克性质的衰变一般是被禁戒的。由于j 膨和妒( 2 s ) 位 于d d 阈下，它们不能衰变到o z i 规则允许的正反粲介予对，而只能衰变到受o z i 规则 禁戒的不含粲夸克的粒子末态，因丽具有窄的宽度。反之，位于d 亩阈上的径向激发态 则因其质量足以衰变到0 z i 规则允许的粲介子对而具有大的宽度。 目前系统研究粲夸克偶素的实验有以e 7 6 0 ，8 3 5 和运行在北京正负电子对撞机( b e p g ) 上的北京谱仪f b e s ) 为代表的两个实验组。前者是利用质子反质子湮灭研究粲夸克偶素的 产生和衰变机制，后者是利用正负电子湮灭研究i ，妒和妒7 的产生和衰变机制，然后利用 其衰变进行其它粲夸克偶素研究，这两种实验在对粲夸克偶素性质的研究中相互补充， 各有其优缺点。 与质子反质子实验相比较，正负电子对撞实验的缺点是不能南接产生量子数不为1 的共振态，) ( 。j 等只能通过j 坤或母的衰变产生，受探测器接收度和分辨率影响较 大，除了宽度较大的共振态和e + e 一对撞直接产生的共振态外，共振宽度的测量相当困难； 其优点是本底非常干净，在l ，膨和妒峰值能量处，q e d 本底过程截面相比较非常小( 如 在b e s 上，二者之比在，似峰值处约为0 7 ；在妒7 峰值处约为2 3 ) ，有利于全面研究各 6 第一章g i 吉 共振态 匕磁和强子各种衰变模式；而且所有主量子数为l 的粲夸克偶素都可通过世，的辐射 衰变或强衰变产生，非鬻有利于综合研究粲夸克偶素能谱以及其闽的跃迁关系。更重要 的是通过矽的辐射衰变寻找胶子球和混杂态，在这方强b e s p e 其有明最的优势，这也 是b e s 鞫前帮将来的藁要研究方向。 1 3 选题妁意义相论文结构 1 3 1 选题的意义 我的工作主要包括三部分，分别为：j 膨一7 蕊一痢+ “一丌+ 一的联合分支 比和妒一帮一一目+ 丌一的分之比的首次测薰；j 妒一三一( 童+ ，璺十( 1 5 3 0 ) ) 和彤妒一 ( 1 3 8 5 ) 嘉+ ( 1 3 8 5 ) ( + ( 1 3 8 5 ) 妻一( 1 3 8 5 ) ) 豹分之毙的测量和反冲p k 测量j 坤一 p a 加k e o ，p o ( 1 3 8 5 ) 的分支比。下面依次介绍它们的意义。 通过测量彤妒一7 桃船一瓣+ 霄矿 一的联合分支比魏彤砂一船矿一7 f + 口一的分之 比，来寻找瞻芋【l j 的瓤的衰变模式。根据2 4 年p d g 【6 | ，目裁实验上观察到的强衰变宽 度只有聍c 总宽度的大约3 3 ，如表1 3 1 所示。所以，还应该有的其它衰变模式还有待予 进一步豹研究。 裘1 3 强衰变模式的分支比 衰变模式观察到的模式 分支比( o b 8 e r v b d ) i s o s d i nf a c t o r分支眈( g e n e r a l ) k k k k 霄5 ，5 士1 7l5 + 5 士1 7 竹丌升 耳霄4 9 圭1 8l4 9 土1 8 k k 霄1 fk k 一一 2 o ：3 ： i 1 2 o 鼍i 6 2 盯 k k k k 一2 1 圭l + 2 l 6 。3 士3 6 喜 4 霄丌卞霄玎巾霄一l + 2 圭o 。4 l 1 葛 3 6 士1 2 n n 即 0 1 2 土0 0 4 l o 2 4 0 。0 8 莹 s u m 3 2 5 根据q c d 理论预言，妒一魏风的角分布可以表示为： 器岬+ a c 0 8 2 其中8 为重予与电子柬滤方隧豹夹角，8 为撼写燕分布韵参数。檄攥理论计算瞄，别妒一 兰一童+ 衰变道的角分毒参数挂一o 1 6 。在实验上，m a r k i i f n 缭如a = 一o ，1 3 圭o 弱， 虽然实验上给出豹误差很大，但理论和实骏的不致还是穰明显的。现在b e s i i 上 已经获取了世界上最大的j 妒样本，使褥对它们的研究成为可能。对衰变邀j 膨一 e 弋1 3 8 5 ) 萤+ ( 1 3 8 5 ) ，和妒一+ ( 1 3 8 5 ) 翕一( 1 3 8 5 ) 分支比的测量，可以计算出i 鲁l 的值，其 7 第一章；| 吉 一h m 一 中，d 表示i i i 磁相瓦作用贡献，a 表示强相互作贡献。按照理论预言，f 鲁l 应该是个小攮 也就是 挂磁相甄佟用委献楣辩于强相互作贡献是很小的。 根搦s u ( 3 ) 对称性， 币，扫l o b 8 + c 。 这样的过程是8 u ( 3 ) 破缺的，其中，玩表示j + 的八重态，b 1 0 表示；+ 豹。卜重态。j 膨一 置一量+ ( 1 5 3 0 ) 就属于这样一个过程t 本论文绘出了它的分支比，对磷究s u ( 3 ) 破缺具考重要 意义。 随精8 e s 合作组邋过形妒一 两，在缈翡阂附近发现一个共振态【8 】以后，对。妒衰 变到重予对的研究也变的越来越重要。本论文对j 抛一p a ，形砂一p o ，形妙一 p o ( 1 3 8 5 ) 的分支比也做了详细研究。 1 3 2 论文结构 根据以上研究内容，论文的结构安排如下： 第章简单介绍丁介绍粒子物理学的理论基础和粲夸克偶紊研究现状以及论文选题 的意义。 第二章介绍了采集用于分析的数据所闺的设备一j 京正负电子对撞机和北京谱仪 的基本性能。 第三章简单介绍了带电粒子以及光子鉴别的原理和方法。 第四章详细讨论了j 膨一p 卿十丌一7 r + 背一的分之比和形妒一1 ，仉一咖+ 7 r 一一7 r 一的 联合分支比测量。 第五章讨论了妒一兰一( 量+ ，妻+ ( 1 5 3 0 ) ) 和彤妒一一( 1 3 8 5 ) 蠹+ ( 1 3 8 5 ) + c e 的分之比 测裁。 第六章讨论了妒一p a ，p 蜀o ，p 霄e o ( 1 3 8 5 ) 的分支比测量。 第七章详细分析了系统误差来源及对系统误差靛镭计。 8 翌三薹墨些堕查皇堕堑壅理 第二章实验设备与数据获取 本文所分析的数据足在升级改进后的北京谱仪f b e s - i i ) 上采集的。北京谱仪b e s ( b 蜘i n gs p e r 竹o m e t 叫是运行存北京正负电于对撞机b e p q b e 巧i 口ge l e c t t o np 0 s i l j i o l l c u m d e r ) 上的唯一大型通用探测器。本章简要介绍了b e p c 的主要性能，北京谱议各子探 测器的结构和性能，在线数据获取系统和离线分析环境等。 2 1北京正负电子对撞机( b e p c ) 北京正负i u 子对撞机是专为研究p 鬃能区物理而设计的卿【l0 】。1 9 8 4 年1 0 月7 日破土动 工，1 9 8 8 年1 0 月1 6 日首次实现正负电子对撞。从1 9 9 4 年至1 9 9 6 年，b e p c 和b e s 进行了升 级改造旺1 l ，升级后的b e p c 仍称为b e p c ，b e s 称为b e s i l ，下面的介绍都是针对升级后 的b e p e 和b e s 而言的。 b e p c 由2 0 2 米长的电子直线加速器和周长为2 4 0 米的储存环组成，如图2 1 所示。正 负电子在直线段被加速到ll l5 5 c k v ，然后沿相反方向分别注入储存环中并被加速到 所需要的能量，进行对撞。同时环上的四个高额腔不断补充柬流由于同步辐射造成的能 量损失，憧束流保持在工作能量。 b e p c 的主要性能指标为： 设计亮度： 17 1 0 a l c m 一2 s1 ( 质心系能量为5 6 g e v ) ； 能散度：j 肼= 0 7 0 m e v ； 柬团眭度： 以一6 0 m m ； 盯# = 1 0 m m ； 。口= o5 m m 。 b e p c 有两个对撞点，实际运行中只有安放在南对撞点的北京谱仪在工作。b e p c 设计为 兼用模式，因此还可进行同步辐射光应用研究。 22 北京谱仪( b e s i i ) 北京谱仪【1 2 】【1 两是工作在北京正负电予对撞机上的大型通用磁谱仪，用于测量正负电 子对撞后产生的末态反应，研究末态粒子的性质及其相互作用的规律a 北京谱仪长约6 米，宽、高各为7 米，重豹4 8 0 吨。它主要由以下几种子探测器和控制 系统组成： 束流管( b e 龇np i p e ) 束流管( b e 咖p i p e ) 9 第二章实验设备与数据获取 圉2 1 北京正负电子对攮机示意图 项点探测器( v e r t e xc h a m b e r ) ； 主漂穆室i l ( m 赫nd r i rc h 8 m b e r ) ； 飞行时间计数器i i ( 粥m e0 ff l i g h tg o u n t e r ) ； 簇射计数器( s b o w e rg o u n t e r ) ； 。“予计数器( m u o nc 0 u n t e r ) ； 亮度髓涣器( l u 蚵n 0 8 i t ym o n i t o r ) ； 磁铁线圈( m a g n 贰s y s t e m ) ； 气体系统( g 8 8s y 8 t e m ) ； 触发判选系统( 强i g g e rs y 8 t e m ) ； l 乜子学系统( e i e c t r o n i c ss y 8 t e m ) ； 在线数据获取系统( o n 拄n ed a t aa c q u 瓣t i ：o ns 艄t e m ) ； 离线数据分授系统( o 麟n ed a t a n d y 幽s y s t e m ) ； 等等。图2 2 给出了b e s 的侧向和辘向示意阉。 由于b e p a 的工作能区为2 0 5 j o g e v ，因此北京谱仪的物理躁标有两个：r 物理和粲 物理。b e s 曩蘸是世界上唯一运行在此能甄上的磁谱仪。在该能医，带电径迹的多重数 帮中性径迹的多熏数都在4 左右，因此报据这个特性，要求l 索谱仪具备以下性能： 】0 第二章实验设备与数据获取 b l 添d e t c 戳钟 圄2 2b 勰的侧向和轴向示意避 第二章宴验设备与数据获取 为了有效地重建成有终态，必须对带电径迹和中性径迹有大的立体角覆盖率 对带电径迹的立体角覆盖率为：4 7 r 9 5 ( 烹漂移窿第二：层) ： 4 7 r 9 0 ( 主漂移寰第四层) ： 对中性径迹的立体角覆盖率为：4 7 9 3 ( 桷部和端盖簇射计数器) 。 对于光予的测璧，不仅要求有较好的能量分辨率，还要求有好的角度分辨率： b e s 参考m a r k i 的设汁，把簇射计数器放程磁铁线圈轭铁内，有效地减少了簇射 计数器翦的物质量，能提供较好的角度分辨率。 在带l 睦径迹的动量较低的情况下，其测爨误差主要来源于多次库仑散射。为了减少 箕影响，必须使带电径迹在避入主漂移宣( m d e ) 前的物质量尽可能小； 具有较强的带电粒子鉴剐能力； 北京谱仪利用飞彳亍时间计数器、主漂移室、簇射计数器昶p 予计数器米鉴别粒子。飞 行时间计数器的时间信惠霉提供7 r 耳扫分辨；主漂移室d g d x 取样次数达到4 0 次， 改善了粒子能损的测量精度；簇射计数箍采用自猝灭流光模式( s q s ) ，用于区分电子 霹强子；p 子计数器可以区分芦予程强子。 2 2 ，l束流管( b e 鼬p i p e ) 束流管是北京谱仪最内层的部分，也是锆存环的部分。为了减少多重教射效应对动 董分辨的影响，柬流管应采用原子序数低的尽可能薄的材料。b e s i i 的柬流管所用的材料 为外直径9 8 c m ，厚1 2 c m 的镀管，仅相当予( 4 o l o 一3 r 土) 豹物质层。 2 2 2 顶点探测器( v 打t e xc h a m b e r ) 利用m a r k i 的顶点探测器( v e r t e xc h 8 m b e r ) 代替老的中心漂移室。顶点探钡器是用 来探测对撞柬翻中粒子相互作用顶点戳及次级粒子衰变的二次顶点的探测器。顶点探测 器f 1 4 】的作用： 参加b e s i i 的一级触发系缝，可以压低因b e p e 亮度提癌质带来的嵩本底及宇宙线本 底： 参加b e s h 的重建，与m d c 配合改进带电粒子的动量分辨和空间分辨，提高重建效率； 与端盖簇射计数器配合有助于改善探测器立体角的覆盏和对电子、光子的鉴列； 1 2 第二章蜜验设备与数据获教 用丁测量对撞束团中粒子相瓦作用顶点。 顶点探测器由6 4 0 个漂移管( 单元) 组成，豳绕柬流管沿径向分成1 2 层，第1 8 层，每层 有4 0 个单元；第g 1 2 艨，每层有8 0 个单元；l 一4 层及9 一1 2 层为轴向层，信号丝平行予柬 流，共4 8 0 道；5 8 层为斜丝层，5 6 层及7 8 层分别向相反方向倾斜3 。，共计1 6 0 道斜丝 信号。如图2 3 ，2 4 所示。 豳2 3 顶点探测器外观图 蝈2 4 项点探测器结构乐意舞 6 4 0 个漂移管封装在一个圆控型室体中。寰体内壁是作为储存环囊空管道一部分豹对撞 嚣粜流管的管鼙。室体舛桶半径为1 4 2 m m ，由强瘦大、密度低的石墨纤维环氧树脂迭层 构成，能承受3 个大气匿。在外撩内蹙髓有5 0 芦m 掣的k 印t 黼树套密封，以防止工作气体泄 漏。室体两端分别装有内、外端板，两个内端板的作用是承受漂移管的压力并将其准直定 位：外端板除了起密闭传用外，6 4 0 道信号也通过外端板上的接线端予引出。 每个漂移管由镀镪的m n a r 膜卷成赢径为8 嚣鼬豹稻荤管稠逶遮稻草管中心位置的一擞 赢经为5 0 雎m 的镀金钨丝组成。漂移管通过定位子磷定在2 s 4 h 糯犀的铝铆内端板上，板间 难为8 4 0 m m ，即漂移管长为8 4 0 m m 。漂移管可| 盂通过定位乎中间的小i l 更换工作气体。 顶点探测器的工作气体为a r ( 5 0 ) + g 峨( 5 0 ) ，工作在3 个大气压下。表2 ，l 是顶点 探测器与中心漂移室的比较。 1 3 第二章实验设备与数据获取 褒2 1 顶点探测器与中心漂移宣的比较 ， j 心漂移室f g d c )顶点探测器 室体结构四层单灵敏丝单元圆柱室十= 层单漂移管型煎柱室 z 向坐标的测璺电犄分配法斜丝法 总质量厚度 2 5 l o 一2 r z1 0 8xl o 一3 r f 立体角覆盏9 6 4 霄9 5 4 霄 工作气体l a 锄的h r s 气体 3 a t m a 7 ( 5 0 ) + e j 甄( 5 0 ) 擎丝空间分辨 如。1 6 0 芦m口s = l o o “h l 盯：烹1 0 m m 盯，：= 2 m m 2 2 3 主漂移室i i ( m a j nd r i 凡c h a m b e r ) 主漂移寰( m d c ) 是北京谱仪的核心探测器之一，它用来测量带电粒子的径 迹( r 、8 、妒) 、动量耜戆量损失( d 窖d x ) 。 北京谱议改进的项目之是薪建主漂穆室，( m d e ) ，它是一个全长3 8 米，有效熊长 为2 2 8 米共有1 0 层的圆柱形漂移室【1 翻，新建的主漂移塞的单元数、单元宽度簿与原漂移 室不同，漂移单元由7 0 2 个增加到8 0 4 个，2 2 9 3 6 根丝，3 2 1 6 个时闻及电荷逶遴，每个漂移 单元含4 根信号照。漂移单元中心的半宽度从3 1 1 m m 减小到2 6 1 m m 。新旧主漂移比较如 表2 2 表2 2 新旧 夔漂移宣比较【l 蜘 旧主漂移室新主漂移室 e e l l s? 0 28 e 4 t 0 t 8 1 w i r e s1 9 3 8 02 2 9 3 6 s e n 8 ew i r e2 8 0 8 3 2 1 6 s y m m e t r y 2 一f o l d4 一f 0 1 d f e e d t l l r o u g h2 p 8 n 8 lp ”t s l a 卵r1 0d e 唾弘v 0 1 t 昭e 4 2 5 k v3 8 k v m d c 的特性参数如下 1 覆盖立体角：粒予穿越第二层9 5 7 4 ，r ；粒子穿越第四层，9 0 4 4 霄，粒子穿越 第卜层，6 9 。4 4 彳r ； 2 单丝效率：9 5 ； 3 单丝位置分辨：如d = 1 9 8 2 2 4 u m ，巩2 m m ； 1 4 第二霉实验设备与数据获取 4 ，动量分辨：p p = 1 7 8 ( 1 + p 2 ) ( p 以g e v c 为单位) ； 5 角分辨率：o d = 3 1 m r 耐，咖= 6 2 8 d 。 2 2 4 飞行时闻计数器( t i m eo ff l i g 蛾) 飞行时闻计数器( t o f ) 的主要作用存瓣个，一是测羹带咆粒予的毪于亍噼闻，剩耀 测得的时闻傣息和主漂移室测得的经迹和动爨信息一起推算出粒子质量，从而达到分辨 粒子的目的；二是利用所测到的时间信息为触发判选系统提供信号，以排除本底。 毽行时间计数器( t o f ) 怒谱议中的主要予探测器。用于搽荆粒子和提供触发判选 信号。为获得良好的时间分辨，必须选用发光衰减时问短的闪烁体、短的光导以及响应 快的光电倍增管。b e s l i 选翔5 e m 薄的b c 4 0 8 塑料闪烁体，它的光衰减时间为2 ，1 n s 。 飞行时闻计数器由桶部和端盖瓶部分组成，分别覆盏7 6 4 计与2 0 4 7 r 的立体 角。桶部飞行时间计数器位于主漂移室与簇射计数器之间，在这样的圈环空间内均匀 分布蓉4 8 块闪烁计数器，每令闪烁计数嚣由一块长2 8 4 昧赫、宽王5 6 m m 、厚5 0 m m 的b c 一4 0 8 塑料闪烁体、两个长1 6 c m 的透紫外光瀚有机玻璃光导以及两个r 2 唾o 0 5 抗磁场 倍增管组成。信号由强端的光奄倍增管读出。端盖飞萼亍对阅计数器述是原来| 目的端 盖飞行时间诗数器，分为东、嚣豫块，各有2 4 令梯形闪烁诗数器组成，每块闪烁钵 的高度为7 0 0 m m ，上底宽9 0 m m ，下底宽2 4 7 5 m m ，厚2 5 m m 。2 4 块闪烁体组成个内 径为6 9 0 m m ，外径2 2 0 0 m m 的嚣形端益，在每块闪烁体下底末端处以垂赢耦合方式与 长6 3 0 m m 的鱼尾形光导相连，再通过长6 l o m m ，赢径4 0 m m 的圆柱形光导与光电储增管相 连，共有4 8 路信号读出。东、西两个端盖分别放置在主漂移窒的两端。 改进后的撩部飞行时问计数器的豺阊分辨率为1 8 0 p 8 。改进前后的比较【1 7 j 如表2 3 。 2 2 5 簇射计数器( s h a n r e rc o u n t e r ) 簇射计数器( s c ) 是谱议中唯一能测量中性事例的子探测器。它主要用于测量电子 和光子的能爨，它的信息也用于糙子判选和事例判选。它由桶部簇射计数器( b s c ) 和 端盖簇射计数器( e s c ) 组成。分别覆盖8 0 4 7 r 、1 3 4 霄立体角。 橱部簇射计数器( 闰2 5 ) 由2 4 罄自淬灭流光( s q s ) 计数器和2 4 瑶羧收瑶组成，每 层有5 6 0 个单元，奘1 3 4 4 0 个单元。为了减少电子学的读出邋数，将计数篱的2 个径向输 出信号缀合成6 个读洼：层。组合方式为将l 一2 层、3 4 屡、5 6 层、7 9 层、l o 1 2 层、i 3 2 4 层并联，并显采鼹双端读出，共计6 7 2 0 邀眩予学。 牺邦簇射计数器安装在铝捅上，锚榛内径2 4 7 0 m m ，外径2 5 3 2 m m ，长4 2 3 0 m m 。 3 0 m m 厚的铝桶壁加上簇射计数器以内各探溯嚣及柬流篱，构成相当予0 5 rl ，的第一吸收 1 5 第二章实验设备与数据获取 表2 3 新i | i i 桶部t o f 比较 新的桶部t o f 计数器老的桶部t o f 计数器 潮斟闲烁体种类 b c 4 0 8n e l l o 尺寸1 5 6 5 2 8 4 c m1 5 6 5 2 8 4 c m 发光衰减时间 2 1 n s3 3 n 8 光衰减长度 4 4 m2 5 m 光导尺寸 1 6 c m ( l )1 1 2 e m ( l ) 材料 u v tp l e 赫g l a 8 8 a i r i i p l e x 强a s 8 封装铝膜+ 黑颦料带慧纸+ 黑塑料带 光电倍蹭管辩燮 r 2 矗9 啦0 5x p 2 0 2 0 渡越时间8 5 i l s 2 8 n 8 1 8 0 p 8 2 5 0 d 8 圉2 5b s c 结构示意固 1 6 第二章实验设备与数据获取 层。其余吸收屡为一m 一一2 夹层板，质最厚度约为05 r # ，2 4 个吸收层总厚度为1 2 r f 。 阳极丝为直径2 5 0 脚谴q 不锈钢丝。 桶部簇射计数器的工作气体为a r t + ? d 2 十岛1 2 的混合气体。此混合气体是 由加和a 0 2 按4 ：l 配制后通入4 。e 下的正戊烷饱和溶液丽获得，其体积百分比为： a r ( 5 6 ) + g 0 2 ( 1 4 ) + g 玛2 ( 3 0 ) 。它采用电饕分配泫确定粒子静辘画经受，由计数管 的位置决定径向位置。 端盏簇射计数器( e s g ) 为园环形，分为东、西两块，每个端盖由两个半园环组成。 它由2 3 层a l p k a l 吸收体和2 4 层方铝取样管( 厚度与桶部簇射计数器一样1 组成。管中心撞 一根直径为3 7 “m 的不锈钢丝。e s c 第一层计数管为1 7 4 搬，以厢每层备加2 根，从第9 层 起每层都是1 9 0 撮，所以每个端盖簇射计数器共省4