（理论物理专业论文）∧→pπ衰变非对称参数和ψ′∧∧、π0∧∧、η∧∧分支比的测量.pdf

摘要 摘要 基： ：= b e s i i 合作组，利用北京谱仪( b e s i i ) 在北京正负电子对撞机( b e p c ) 上收集 的5 8 m ，矽数据，m j e 一人天_ p r 一加+ 衰变道进行了分析，采用螺旋度分析的方法分 析了该衰变道中各级衰变的振幅和角分布，测量了天一加+ 衰变过程中的衰变参数( 非对 称参数) 五： q 天= - 0 7 5 5 士o 0 8 3 土0 0 6 3 在此基础上测量了a 一何衰变过程中的c p 破坏表征量a ： 4 ：竺垒竺盔：一0 0 8 1 士0 0 5 5 土o 0 5 9 q 人一五 其中第二项为统计误差，第三项为系统误差。这两个测量结果的精度还不足以说明在超子 非轻子弱衰变中存在c p 破坏，需要在更大的样本中继续研究。 基于b e s i i i 合作组，利用北京谱仪( b e s h i ) 在北京正负电子对撞机( b e p c i i ) 上收集 的1 0 6 m 矽，数据，测量了矽7 一人天、7 r o 人天和叩a 天衰变的分支比： b r ( 妒7 啐a 人) = ( 3 5 9 土o 0 5 士o 2 4 ) x1 0 4 召r ( 妒7 斗7 r o a 天) 0 4 7 1 0 5 b r ( 妒7 _ q a a ) = ( 2 2 4 土o 3 8 士o 2 7 ) 1 0 曲 其中第二项为统计误差，第三项为系统误差。这些测量结果与b e s i i 的结果在误差范围内 相符。妒，一a 天的测量结果符合微扰q c d 预言的1 2 规则。妒7 _ 丌。人人和叼人天衰变具有相 同的末态。矽7 _ 叩人天通过强相互作用衰变，而矽7 一丌0 人天过程中存在同位旋破坏，是一 个电磁衰变过程。理论预期强相互作用的衰变分支比大于电磁相互作用，上面的测量结果 验证了这个理论预言，并表明在妒7 7 l - o h 天和7 7 人天衰变中没有发现反常行为，妒7 _ 7 r o 人天 衰变中并没有发现除电磁作用以外的其他衰变方式，同位旋破坏的衰变过程( 刀- o a a ) 产额明 显小于同位旋守恒的过程( , 7 h 1 ) 。 关键词：螺旋度振幅非对称参数分支比同位旋1 2 规则 a b s t r a c t b a s e do nas a m p l eo f5 8x1 0 6 j 妒d e c a y sc o l l e c t e dw i t ht h eb e s i id e t e c t o ra tt h e b e p c ，t h e 天d e c a yp a r a m e t e r ( a s y m m e t r yp a r a m e t e r ) a 天f o r 天_ 加+ i sm e a s u r e du s i n g a b o u t9 0 0 0y 妒一人天一刀7 r + 7 r d e c a y s w i t ht h ew a yo fh e l i c i t ya m p l i t u d e sa n a l y s i s ，a f i tt ot h ejo i n ta n g u l a rd i s t r i b u t i o n sy i e l d s ： o l h = - 0 7 5 5 土0 0 8 3 士0 0 6 3 t h ec p - o d dv a r i a b l eo fa _ p r y i e l d s ： a = a + 口天 q 人一q 天 = - 0 0 8 1 士0 0 5 5 土0 0 5 9 w h e r et h ef i r s te r r o ri ss t a t i s t i c a l ，a n dt h es e c o n ds y s t e m a t i c t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nd m 2 1 9 】a n do u rm e a s u r e m e n tf o ra j ia n da i sd o n e t h e y a g r e ew i t he a c ho t h e rw i t h i ne r r o r s ，w h i l eo u r sh a v ei m p r o v e dp r e c i s i o n ，b u tt h ep r e c i s i o no f o l xa n da i ss t i l li n s u f f i c i e n tt oo b s e r v ec pv i o l a t i o na tt h el e v e lp r e d i c t e db yt h es t a n d a r d m o d e l w en e e dm u c hb i g g e rs a m p l et oc o n t i n u eo u rs t u d y w i t has a m p l eo f1 0 6 i 0 6 移7d e c a y sc o l l e c t e dw i t ht h eb e s i i id e t e c t o ra tt h eb e p c i i ， t h eb r a n c h i n gr a t i o so f 妒7 人天、7 r o 人天a n d 叼a 五h a v eb e e nm e a s u r e d b r ( b 7 一人天) = ( 3 5 9 士0 0 5 土0 2 4 ) x1 0 4 b r ( 妒7 7 r o a 天) 0 4 7x 1 0 5 b r ( 妒7 ，叩人天) = ( 2 2 4 士0 3 8 士0 2 7 ) x1 0 5 w h e r et h ef i r s te r r o ri ss t a t i s t i c a l ，a n dt h es e c o n ds y s t e m a t i c t h e s er e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t so fb e s l lw i t h i ne r r o r s ”1 2 r u l e ”i s w e l lt e s t e db yt h eb r a n c h i n gr a t i oo f 砂7 _ + a f t i nt h e o r y , 矽7 7 r o 人天d e c a y st h r o u g h e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r a c t i o nd u et ot h ei s o s p i nv i o l a t i o nw h i l e 矽7 _ 叩人人d e c a y st h r o u g h s t r o n gi n t e r a c t i o n t h eb r a n c h i n gf r a c t i o no fs t r o n gi n t e r a c t i o n i sl a r g e rt h a ne l e c t r o m a g n e t i c i n t e r a c t i o n t h em e a s u r e m e n t so ft h e i rb r a n c h i n gr a t i o sc o n f i r mt h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n s - 1 1 - 英文摘要 a n di n d i c a t et h e r ea r er i oa b n o r m a lp h y s i c si n 砂7 7 r o a 天d e c a y s k e yw o r d s ：h e l i c i t ya m p l i t u d ea s y m m e t r yp a r a m e t e r b r a n c h i n gr a t i oi s o s p i n1 2 r u l e 1 1 1 - - 插图目录 插图目录 1 1 基本粒子分类示意图2 1 2 ( a ) 0 一赝标量介子的分布( b ) 1 一矢量介子分布 7 1 3 ( a ) ；十重子分布( b ) ；+ 重子分布9 1 4 ( a ) b n l 发现的j 粒子( b ) s p e a r 发现的砂粒子1 1 1 5 粲夸克偶素成员1 2 1 6 j 矽和矽7 若干衰变的最低阶费曼图1 3 1 7 妒7 强子化衰变的费曼图1 4 2 1 北京正负电子对撞机鸟瞰图2 1 2 2 北京正负电子对撞机结构示意图2 2 2 3 北京谱仪侧向示意图2 3 2 4 北京谱仪轴向示意图2 4 2 5 顶点探测器外观和内部结构示意图2 5 2 6 主漂移室丝层结构示意图2 7 2 7 桶部簇射计数器结构示意图2 9 2 8 亮度监测器3 0 2 9 触发判选结构示意图3 2 2 1 0 离线数据分析流程3 4 2 1 1 b e s i i i 探测器总体结构侧视图3 6 2 1 2m d c 单元结构示意图：3 8 2 1 3 端盖t o f 结构示意图4 0 2 1 4b e s i i i 电磁量能器晶体分布示意图4 1 2 1 5r p c 结构示意图4 2 2 1 6p 子鉴别器桶部轭铁尺寸和r p c 的排布图4 2 2 1 7b e s i i i 数据流程4 4 2 1 8b e s i i i 触发逻辑方块图4 5 2 1 9b e s i i i 数据获取系统架构示意图4 6 2 2 0b e s i i i 数据处理系统结构示意图4 7 2 2 1 b e s i i i 数据处理流程图4 9 3 1 j 妒_ 人人_ ”一加+ 的螺旋度坐标的定义5 3 3 2 ( a ) j 矽_ 人人优化的品质因子分布( b ) 数据和蒙特卡罗中的) ( 弘分布5 6 3 3 数据和蒙特卡罗中p 丌一和p r + 不变质量的拟合结果5 7 插图目录 3 4 数据和蒙特卡罗中p 7 r 一和研+ 不变质量的分布5 8 3 - 5 j 矽一人天衰变长度在x y 平面内的分布( a ) 人的l z 掣分布( b ) 人的三2 v 分布5 8 3 - 6 j 妒一人天衰变中数据和拟合后的蒙特卡罗抽样的比较6 7 3 7 蒙特卡罗样本中q 和a 拟合结果的分布6 8 3 8 蒙特卡罗样本中q 和q 五拟合结果的p u l l 分布6 9 3 - 9 真实数据和蒙特卡罗数据中c o s 目和ic o s 臼lc o s0 14 - s i n0 1s i n0 1c o s ( 多14 - 1 ) i 的 分布7 0 3 1 0j 妒一p t r p t r + 衰变中数据和拟合后的蒙特卡罗抽样的比较7 4 遍举蒙特卡罗样本中粒子的动量分布7 1 7 数据和遍举蒙特卡罗样本中a 、天的衰变长度分布7 7 单举蒙特卡罗样本中人、天衰变长度和的分布7 8 遍举蒙特卡罗中p t r 一，研+ 和a 天不变质量分布7 9 数据中卯一、研+ 和人天不变质量分布8 0 数据中p 7 r 一和p r + 不变质量信号及s i d e b a n d 区域分布8 2 单举蒙特卡罗样本中包含人和天共振态的本底道落在人和天信号区中的分布8 3 数据和单举蒙特卡罗中加+ 的反冲谱m 嘉+ ，。僦f 的分布8 6 数据和单举蒙特卡罗中p 7 r 一的反冲谱一他咖l 的分布8 7 没有采用衰变长度判选方法时数据和遍举蒙特卡罗样本中j 矽_ 人人终选事 例p 7 r 一、加+ 和人人的不变质量分布h 8 8 采用衰变长度判选方法时数据和遍举蒙特卡罗样本中j 妒_ 人a 终选事 侈t j p t r 一、p r + 和人天的不变质量分布8 9 数据中a 、天衰变长度和的分布9 3 人天不变质量在砂，_ o 掣，妒，_ 7 r o h a 和矽7 _ n a a - - 个蒙特卡罗遍举衰变 道中的分布9 4 数据中人天不变质量的分布9 5 数据中2 分布和优化的品质因子分布9 5 数据q b p t r 一和加+ 不变质量分布9 6 数据中坂，不变质量分布和人天反冲谱的分布9 7 数据中，y ，y 、p t r 一、p x + 不变质量的散点图9 8 砂，一7 l - o a x 遍举蒙特卡罗样本中的一些分布9 9 移7 _ n a 天遍举蒙特卡罗样本中的一些分布1 0 0 数据中1 1 不变质量的拟合结果1 0 1 单举蒙特卡罗样本中双光子不变质量谱眠，1 0 2 数据中a 、天_ s i d e b a n d 区域分布和所有本底中7 7 不变质量分布1 0 4 考虑本底形状后数据中7 7 不变质量的拟合结果1 0 5 数据和妒7 7 1 + 7 1 一j 妒j a b _ 7 r o p 多单举蒙特卡罗中，y ，y 质量谱鸠7 的分布1 0 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 加 n 挖坞 m玷m硌均幻俎沈鹚丝笏 缸乒缸缸垂缸垂缸垂 乒 缸缸 缸缸垂垂缸缸垂垂4垂缸垂 插图目录 4 - 2 6 包含连续区数据的7 ，y 不变质量拟合结果1 0 8 4 - 2 7 拟合丌。信号的似然函数值的分布1 1 0 表格目录 表格目录 四种玻色子的性质 介子g 可的j p 0 一赝标量介子和1 一矢量介子的组成 ；十和；+ 重子的夸克组成 双胶子胶球的j p c 主要高能物理对撞机及其研究重点 b e p c 对撞机性能参数 簇射计数器的性能参数 b e s i i 和b e s 主漂移室的比较 b e s i i 和b e s 飞行时间计数器的比较 簇射计数器的性能参数 b e s i i 子探测器气体系统 2 0 0 1 , v 2 0 0 2 年度b e s i i 数据采集触发表 b e p c i i 对撞机主要设计参数， b e s i i i 设计参数和b e s i i 性能的比较 j 妒_ a 天的本底道6 0 输入输出检查6 5 本底造成的系统误差7 1 o l 对q 测量值的影响7 2 四种蒙特卡罗样本作为总截面的拟合结果7 3 a 测量中的系统误差7 4 o z ( 天_ 研+ ) 和a 与d m 2 测量结果的比较7 5 数据中人、天信号及s i d e b a n d 区域的事例统计8 3 角分布参数q 取不同值时的探测效率9 1 q 测量中的系统误差9 1 砂7 _ 7 r o 人天、y a h 的主要本底道1 0 3 数据中人、天s i d e b a n d 区域质量范围和该区域的事例统计1 0 4 q 测量中的系统误差1 0 9 此次测量结果和b e s i i 发表结果的比较1 0 9 5 1 此次测量结果和b e s i i 发表结果的比较1 1 2 3 6 7 8 9 5 2 5 6 ，8 9 1 3 5 7 l 2 2 2 2 2 3 3 3 3 d 七o 4 巧圯 也o 4 与圯o $ 西 七o 4 与圯0 七o 4 与正0 l 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 垂4 第一章引言 第一章引言弟一早jl 函 本章主要介绍粒子物理学的基本知识，粒子物理实验的基本情况以及论文的选题意 义，研究情况，最后列出论文的组织结构。 1 1 粒子物理学 粒子物理学是研究物质的最小组元的特性及其相互作用规律的一门科学 1 】。它是基于 实验并在实验基础上与理论紧密结合的一个物理学分支。由于研究对象是物质的最小组 元，而目前已知的部分最小组元并不能自由存在于自然界中，粒子物理学家需要通过设计 实验来找到并研究它们。现在一般常用的实验方法是高能碰撞实验，因此粒子物理学也被 称作高能物理学。 自古至今，人们一直都在想弄清楚物质是由什么组成的? 物质的最小单元是什么? 到毫 了十九世纪末、二十世纪初，人们在研究原子和原子结构的过程中，陆续发现了电子、光 子、质子和中子等基本粒子，对物质内部结构的认识也已经达到了核子水平。随着研究的 深入，一系列粒子( e + 、小j 妒等) 相继被发现，人们对粒子之间的相互作用机制也有了 更深入的认识【2 。到了二十世纪六十年代，粒子物理学取得了两项重大的突破性进展：一 是强子亚结构的发现和在此基础上建立起来的强子的夸克模型；二是电磁相互作用和弱相 互作用的统一即电弱统一理论。随后的七十年代，粒子物理学家又提出了描述强相互作用 的规范理论并由此建立了量子色动力学( q c d ，q u a n t u mc h r o m o d y n a m i c s ) 。至此，人们 基本建立了物质问相互作用的理论，而量子色动力学和电弱统一理论也就被合称为标准模 型( s t a n d a r dm o d e l ) 。 1 1 1 标准模型 标准模型是目前已知的可以较好描述物质基本结构和相互作用的理论。在标准模型 中，微观粒子可以分为三类：夸克( 6 种味道) 、轻子和规范玻色子。夸克和轻子是组成物 质的基本单元，自旋都是 ，可以分为三代：第一代是上夸克( 钆) 、下夸克( d ) 、电子( e ) 和 1 1 粒子物理学 电子中微子( ) ：第二代是奇异夸克( s ) 、粲夸克( c ) 、肛轻子和p 子中微子( ) ；第三代是顶 夸克( t ) 、底夸克( b ) 、丁轻子和7 子中微子( 蜥) 。三代夸克和轻子都有一些共性：每一代的两 个夸克都各带+ ；e 和一 e 的电荷；轻子带一个单位的负o g 荷( 1 e ) ，中微子不带电；每一代 的夸克和轻子都存在反粒子，正反粒子有相同的质量和自旋，相加性量子数( 电荷、同位 旋等) 反号；每一代的每种夸克及其对应的反夸克都有三种颜色。其分类示意图如图1 1 所 示。 卫 - 瞄 ： d a o ，_ o n a m e s y m b o l t h et h r e eg e n e r a t i o n so fm a t t e r f e r m i o n s e l e c t r i cc h a r g e o fc o l o rc h a r g e s m a s si nm e v f o r c ec a r r i e r s v e c t o rb o s o n s e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r a c t i o n s 仃二勰曲n s g 了u n a h 0 1 1 8 z 0 z w + w 图1 - 1 基本粒子分类示意图 w e a k i n t e r a c t i o n s 规范玻色子的作用是在物质最小组元之间传递相互作用，是媒介粒子。物质之间有 一2 一 兰o i 第一章引言 四种相互作用：引力相互作用、强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用，这四种相互 作用都有各自对应的规范玻色子：引力子、胶子、中间玻色子和光子。引力相互作用在 粒子物理学范围内还没有直接的实验研究，迄今为止还没有直接实验证据证明理论上认 为的传递引力相互作用的引力子的存在。电磁相互作用是带电粒子与电磁场的相互作用 以及带电粒子之间通过电磁场传递的相互作用，高速微观的电磁作用可由量子电动力 学( q e d ，q u a n t u me l e c t r o d y n a m i c s ) 完美描述。弱相互作用理论上认为是是通过交换质 量很重的中间玻色子( 士，z o ) 传递的，可以由量子味动力学描述。强相互作用是作用于 强子之间的力，描述其作用的理论就是量子色动力学。表1 1 列出了四种玻色子的性质。 表1 - 1四种玻色子的性质 标准模型中的量子色动力学是描述夸克间强相互作用的动力学理论。在夸克模型的 研究中人们发现必须给每种味道的夸克都加上“红”、“绿”、“黄 三种“颜色” 标记( 色荷) ，它们在构造强子时必须满足色中性的要求( 色单态) ，这样才能满足量子力 学中的泡利不相容原理。对夸克的这种性质在数学上可以用色空间的s u ( 3 ) 群描述，因 此q c d 是一种具有严格色s u ( 3 ) 定域规范对称性的非阿贝尔理论。s u ( 3 ) 群有8 个伴随表 示，对应传递强相互作用的8 个胶子。q c d 中的色荷可以和q e d 中的电荷相类比。“荷” 作为耦合参数可以表明相互作用的大小，两个粒子间相互作用的强度和它们所带的对应于 该种相互作用的“荷”有关。强子由带不同颜色的色荷组成，传递强相互作用的胶子也由 带不同颜色的色荷组成，一个带色荷的原始夸克可以辐射出胶子( g _ 凹) ，辐射出的胶子 可以劈裂成夸克对( 夕一q q ) ，这样就与q e d 中的电荷屏蔽类似，原始夸克( g ) 会被胶子劈 裂出的反夸克( 虿) 部分屏蔽( 屏蔽效应) 。如果去测量色荷，那么测量距离越远，测得的荷越 一3 一 1 1 粒子物理学 大，这就是与q e d 类似的“正常”情况。但是与q e d 不同的是胶子有自相互作用，它可 以劈裂成两胶子或三胶子( 夕一g g 、g _ g g g ) 。色荷的一个特性是色荷周围倾向于被同色 的色荷包围( 反屏蔽效应) ，这个效应使得原始夸克周围就被同色的色荷包围，这与q e d 中 电荷被带相反电性的电荷包围是不同的。屏蔽效应和反屏蔽效应的叠加使得q c d 表现出 ? 与q e d 不同的性质：如果测量色荷，测量距离越近，测得的荷越小，这就是一种“反 ? 常”，也就是通常所说的“渐进自由” 3 】。简单的说，渐进自由就是夸克和胶子间的有效 耦合常数o l 。( q 2 ) 随着动量转移q 的增大而呈对数下降。根据渐进自由的特性，当夸克和胶 子距离很近时，o l 。( q 2 ) 很小，理论上可以据此对高能强相互作用下夸克和胶子的产生及深 度非弹性散射过程进行微扰计算，这种计算方法称为微扰量子色动力学( p q c d ) ；但当夸 克和胶子距离较远或动量转移较小时，它们之间的相互作用会变大，当色荷间的距离达到 强子尺度( 1 0 - 1 3 c m ) 时，相互作用的强度会非常大，这时夸克碎裂的末态是单色的强子。 这种现象称为“红外奴役”，也就是强相互作用的“色禁闭”的特性，根据这种特性可以 解释为什么带色的夸克和胶子总是被禁闭在强子内部。但这并不意味着夸克和胶子就一定 ，j 不能被独立发现，q c d 中预期有解除禁闭的夸克、胶子的等离子体态。要找到这种等离 子体态( q g p ) ，需将两个重核以极高的速度对撞，使温度升到1 0 2 4 度以上，带色粒子的性 质在这样高温和致密的强相互作用的物质中可能会发生改变，对这类变化的观测应该会对 更高密度下的宇宙早期的物质形态提供判据4 】。 标准模型中的另一部分电弱统一理论由s w e i n b e r g ，s g l a s h a w ，a s a l a m 建立。电 弱统一理论的基本思想是根据电磁相互作用和弱相互作用的相通之处，将同位旋空间 的定域s u ( 2 ) 对称性和超荷空间的定域u ( 1 ) 对称性结合起来，让电磁作用和弱作用统一 由s u ( 2 ) xu ( 1 ) 规范场传递。为了保持定域规范性，规范玻色子必须是零质量的，但现实 中除光子外并没有其他粒子满足此条件，而光子只能传递电磁相互作用，传递弱相互作 用的玻色子基于弱相互作用的短程性必须要有较重的质量，因此需要引入对称性自发破 缺 拘h i g g s 机制使传递弱相互作用的规范玻色子获得质量。当h i g g s 场通过保持定域规范 对称性的方式与规范场发生相互作用，使系统对称性m s u ( 2 ) u ( 1 ) 定域规范不变性破缺 4 第一章引言 到只剩下对应荷的u ( 1 ) 不变性，破缺的对称性所对应的三个规范场分量获得质量，成为 中间玻色子w + 、一、z o ，余下的u ( 1 ) 对称性对应的电磁场分量就是无质量的光子7 。 电弱统一理论有两个重要的预言：以前理论中没有出现过的中性弱流的存在和中间玻色 1 子w 士、z 0 的质量。这两个预言分别于1 9 7 3 年和1 9 8 3 年在欧洲核研究中，t l , ( c e r n ) 的中微 ，= ：子实验 5 和u a l 、u a 2 两个合作组的实验【6 中得到了证实。除此之外，以l e p 为主的很 多实验也在很高的精度内验证了电弱统一理论的正确性。 标准模型是迄今粒子物理学中比较成功的统一理论，建立二十多年来接受了全世界高 能物理领域大量实验的检验。但是标准模型还不是一个完美的终极理论。标准模型中还没 有包含引力相互作用：还有1 7 个会带来诸多不确定性的不能自我确定的自由参数，这些 参数的来源还未被理解；不能解释基本粒子代的成因等等。同时标准模型中解释质量获 得方式的h i g g s 粒子还未被发现，而这正是目前c e r n 的大型强子对撞机l h c 的目标。如 果l h c 未能如愿找至l j h i g g s 粒子，那么就需要考虑新的理论，因此目前的粒子物理学在朝 着两个方向发展：一是在更高能下寻找新的物理现象，建立超越标准模型的探索；另一个 ? 7 是在低能区域精确检验标准模型的同时期望观测到新物理存在的迹象。这两个方向都期待 有新的突破。 1 1 2 强子态 在物理学史上，几乎所有理论的发展都不是一蹴而就的，对于强子结构的研究也是如 此。1 9 4 9 年费米、杨振宁提出了第一个强子结构模型( 费米一杨振宁模型) ，他们用的复 合态解释丌、叩介子，但是该模型不能解释奇异粒子的构成。1 9 5 6 年坂田将p 、n 、a 和它们 的反粒子p 一、n 一、天作为基本粒子提出了坂田模型。坂田模型可以解释介子八重态，但不能 7 解释重子组成。1 9 6 1 1 9 6 2 年，盖尔曼( g e l l m a n ) 和尼曼分别提出了利用强相互作用的对 j ，称性对强子分类的“八重法”，这种方法是利用了数学上s u ( 3 ) 群的超多重态理论。在这 种理论的启发下，1 9 6 4 年盖尔曼和兹韦f g z w e i g ) 分别提出了“q u a r km o d e l 和“a c e s m o d e l ，成功解释了介子和重子的结构，对粒子分类和粒子间相互作用的研究做出了巨 大贡献。 一5 一 1 1 粒子物理学 在夸克模型中，介子被认为是一个夸克( 口) 和一个反夸克( 口) 组成的束缚态。根 据s u ( 3 ) 群极其对称性，三种轻夸克( u 、d 、s ) 可以组成介子八重态和一个介子单态：3o = 8o1 ，介子可以由不同味道的正反夸克组成。如果一个介子的自旋为s ，由于夸克 和反夸克的相互作用，它有轨道角动量厶那么它的总角动量量j 1 l s i ，l l + s i 】， 宇称( p ) 为( 一1 ) l + 1 ，电荷共轭宇称( c ) 为( 一1 ) l 州。根据粒子的j p c 可以对介子进行分类， 表1 2 列出了介子可能具有的j 尸c ( l 3 的情况) 。 表1 - 2 介：f q 4 的j p j p c = 0 一+ 的称为赝标量介子；j p c = 1 一的称为矢量介子。由于三种轻夸克可以任 意两两组合，当组成的态没有任何夸克味道( 札面、d d 、s 动时，它们就可以互相混合组成新 的态。0 一赝标量介子和1 一矢量介子的组成如表1 3 所列，在超荷y 和同位旋第三分量如坐标 上0 一赝标量介子的分布如图1 2 ( a ) 所示，1 一矢量介子分布如图1 - 2 ( b ) 所示。 由于受到角动量耦合的限制，0 一，0 + - ，1 - + ，2 + 一和3 一+ 的量子态是不可能由正反 夸克组成的，实验上将这样的态称为奇特态。 重子被认为由三个夸克组成，这些夸克的味道可以相同也可以不同。与介子类 似，由s u ( 3 ) 理论可知三个夸克可以构成重子的单态、八重态和十重态：30303 = 1o8 j 8o i 0 。三个自旋为1 2 的轻夸克组成的重子总自旋为1 2 或3 2 ，三个夸克间的相 ，互作用使重子有轨道角动量l 。如果三= 0 ，重子的总角动量j = 1 2 或2 3 ，自旋宇称量子 6 第一章引言 表1 30 一赝标景介。，和1 _ 久爱介一f 的组成 y l k ok + 入八。，、 兀v 兀v厂 7 【7 7 v k -帮 y k 。o k 。+ 八刃 | | p v p ”厂p 7 7 v _文o 图1 - 2( a ) o 一赝标景介予的分布( b ) 1 - 矢最介了分布 7 1 1 粒子物理学 数j p = + 和；+ 。实验上发现质量最低的重子是j p = j + 的重子八重态。重子的夸克缉 成如表1 4 所示。在超荷y 和同位旋第三分量厶坐标上 + 重子分布如图1 3 ( a ) 所示，；+ 重予 分布如图1 3 ( b ) 所示。 表1 4 + 和2 + 重了的夸克组成 上面描述的均是由2 个或3 个夸克组成的一般强子，除它们以外，q c d 还允许新型强 子( 胶球、混杂态、多夸克态) 的存在。 胶球是由两个或两个以上胶子构成的纯胶子束缚态 4 】，宇称为( 一1 ) l ，电荷共轭宇称 为f 一1 ) l + s 。如果胶球由两个胶子组成，由于胶子是玻色子，统计性要求l + s 为偶数，因 此电荷共轭宇称总为正：另一方面，胶子的自旋为1 ，所以胶球的总自旋可为0 ，l ，2 ，由 此得到的可能的量子数j 尸c 如表1 5 所示( l 3 的情况) 。 如果胶球由三个胶子组成，那么所有的j p c 都是允许的。假设胶子没有质量，根据杨 振宁定理【7 ，j p c = 1 一+ 和j p = 3 + 的胶球是不允许存在的，但是根据无质量的口袋模型 预言，这两个态可以以胶球激发态的形式存在。 混杂态是就两个夸克和胶子组成的q q g 态，它可以是同位旋两重态或三重态。 理论表明混杂态有两个值得注意的特点：一是不含有s 吾夸克对的态可以衰变到含 有s 吾夸克对的态，而相应的末态对于g 牙介子是o z i 禁戒的；二是混杂态的宽度可能很 大( 0 5 2 o c e v c 2 ) i s l 。目前实验上关于混杂态的寻找还在进行之中。 一8 第章引言 y 一o+ + + 、 。vv f+7 产么瑟 y n p 入 a ( 1 4 0 5 ) 、 f弋 人 y 。 图1 - 3 ( a ) ；+ 重子分布( b ) + 重子分布 表1 - 5 双胶子胶球的j p c 9 1 1 粒子物理学 上世纪七十年代j a f f e 预言了h 粒子的存在 9 1 ，开始了多夸克态的研究。h 粒子是双重 子( 六夸克态) ，其白旋和同位旋均# j o 1 0 。他预言的六夸克态d f l u u d d s s 组成，自旋和同位 旋均为0 ，若质量小于两个a 的质量则只能发生弱衰变，是一个长寿命粒子。多夸克态一 直是粒子物理中的一个研究热点，迄今为止在强相互作用中只看到了两个夸克组成的介子 和三个夸克组成的重子，而q c d 理论允许强子由三个以上的夸克组成，因此实验上多夸 上：； 克态的寻找是对q c d 理论的一个重要检验。排除实验方法和技术的制约，如果不能找到 明确的多夸克态，贝j q c d 还需要进一步的理论完善，这就有可能形成新的理论突破，是 人们对物质的认识深入一层。 1 1 3 粲偶素物t ! 里( c h a r m o n i u mp h y s i c s l 夸克偶素( q u a r k o n i u m ) 是由强相互作用联系着的夸克和反夸克的束缚态，粲偶素就是 夸克偶素的一个实例：由粲夸克和反粲夸克组成的束缚态。 二， 1 9 6 4 - , d 9 7 4 年，3 味轻夸克扒d 、s 组成的介子和重子都在实验中得到了验证。； 。在k 介子的衰变过程中，人们期待看到存在奇异数改变的弱中性流的衰变k + 、 7 r + + e + + e - 和k o _ 弘+ + 肛一，但结果却没有发现这样的过程。为了解释这样的实验 现象，1 9 7 0 年g l a s h o w ，i l i o p o u l o s 和m a i a n i 提出了g i m 机锘1 j 1 1 1 ，认为自然界应该存在第 四味夸克：粲夸克( c ) ，并预言粲夸克的质量约3 0 1 5 g e v c 2 。1 9 7 4 年两个实验组分别发 现了一个新粒子：一个是由丁肇中教授领导的实验组在美国b n l g h 速器上通过测量高 能质子打击铍靶产生e + e 一对不变质量谱的方法发现了j 粒子 1 2 】，如图l 一4 ( a ) 所示；一个 由r i c h t e r 等人通过在s t a n f o r d 直线加速器中心的正负电子对撞机( s p e a r ) j ：的m a r k i 探 测器测量e + e 一湮灭产物发现了砂粒：p 1 3 1 ，如图l 一4 ( b ) 所示。这就是j 妒粒子，研究表明它 是a c e 组成的束缚态，j p c = 1 - 一。它的发现验证了g i m 机制的正确性，证实了粲夸克的 、存在。之后不久，s p e a r 又发现了砂7 粒子，通过分析确定也是c 石组成的束缚态。此后粲夸 克偶素的其它成员也陆续被发现【1 4 】，宇称p = ( 一1 ) l + l ，电荷共轭宇称c = ( 一1 ) l 州。现 在粲夸克偶素的分布如图1 5 所示。 一1 0 第一章引言 m e + e 一 g e v 】 图1 - 4( a ) b n l 发现的t ，粒子( b ) s p e a r 发现的妒粒子 j 矽和移7 的寿命长、宽度窄，质量均小于2 倍最轻的d 介子的质量，只能通过o z i 压低 的方式衰变( 强衰变、电磁衰变和辐射衰变) ，非常有利于实验上对轻强子谱的的研究。 图1 6 显示了j 矽和移7 五种衰变方式的最低阶费曼图： c 已湮灭成一个虚光子，电磁衰变到轻子对，图1 6 ( a ) ： 匝湮灭成三胶子，强衰变，图l 一6 ( b ) ； c 捱灭成一个虚光子，电磁衰变到强子，图l 一6 ( c ) ： 葩湮灭成一个光子两个胶子，辐射衰变到强子，图1 6 ( d ) ； 先电偶级( 且) 或磁偶极( 脶) 跃迁到质量较自身低的粲夸克偶素，再衰变到强子， 图1 6 ( e ) 。 妒7 作为矽的激发态，它还有一种特殊的衰变方式，其费曼图如图1 7 所示。移7 先辐射出 f + t l 。o t m a s s ( m e ，) 37 0 0 3 50 0 3 3o o 310 0 2 9 0 0 n s ， 5 5 o - + l 1 一 o ，1 ，矿 tp c j e1r a d i a t i v et r a n s i t i o n m1r a d i a t i v et r a n s i t i o n h a d r o n i ct r a n si t i o n 2 b o d ye l e c t r o m a g n e t i cd e c a y 图1 - 5 粲夸克偶素成员 1 2 一 专 第一一章引言 t a ) l f 俐 s 例 f b ) 图i - 6j 妒和妒若干衰变的最低阶费曼图 ( m 两个胶子转化为j 砂，辐射的双胶子则强子化为轻强子( 丌+ 7 r 一， r i o t ( o ，叼) 。这是一个典型 的低能标下的非微扰q c d 过程，为检验非微扰q c d 唯象理论提供了理想的实验场所。 粲偶素作为一个简单的夸克体系对于q c d 的检验和发展是非常重要的，被喻 为q c d 中的氢原子f 1 5 】o 粲夸克的质量比较大，在酝束缚态中的运动是低速的，所以粲偶 素是一种非相对论的束缚态。在理论上可以通过非相对论量子色动j 荸( n r q c d ) 将c 舀间 的相互作用分解成两部分：一是短距离上与湮灭过程相关的项；二是长距离上和夸克偶素 结构相关的项。这样的计算结果可以与实验结果比较来检验q c d 理论。 1 2 粒子物理实验 实验是物理学的基础，粒子物理实验对于粒子物理理论的建立和发展起着基础性的作 1 3 1 2 粒子物理实验 v ( 2 5 ) ， e m i s s i o n l i g h t h a d l o i l s 图1 7 砂7 强子化衰变的费曼图 a d r o n i z a t i o n 、v ( 1s ) 用。粒子物理实验方法主要是利用加速器将带电粒子加速到一定状态，然后通过对撞或打 靶的方式发生相互作用( 固定靶实验和对撞实验) ，最后利用探测器测量作用产生的末态粒 子，测量数据用于研究末态粒子的性质和它们间相互作用的规律。作为实验上的两种主要 方式，固定靶实验和对撞实验各有利弊。固定靶实验的优点在于可以使用的束流和粒子 种类比较多，反应末态比较丰富，缺点是束流能量不能全部利用。对撞实验的优点在于 束流能量能够全部利用，缺点在于束流种类和反应末态以及亮度均受到限制。早期的实 验由于受到技术上的限制，并不能使实验粒子获得很高的能量。1 9 3 2 年，欧内特斯劳伦 斯( e r n e s tl a w r e n c e ) 在美国的伯克利大学建造了第一台回旋加速器，自此以后加速器技术 不断得到发展，粒子物理实验有了更坚实的基础。随着技术的不断进步，粒子物理实验趋 于大型化和复杂化，朝着高能量、高亮度和非加速器物理三个方向发展。 目前对撞实验在粒子物理实验中占有重要的地位，j 妒粒子、丁轻子、t 粒子都可以 在对撞实验中发现，而高能量的z 0 粒子、w 士粒子和t 夸克都是在对撞实验中发现的。 表1 6 列出了世界上主要的对撞机和其研究重点。 第一章引青 表1 - 6 主要高能物理对撞机及其研究重点 b e p c ( b e p c i i ) 是目前世界上工作在粲夸克、7 - 轻子能量区域的重要的加速器之一。 它是利用正负电子湮灭产生粲偶素，然后研究其衰变行为。基于b e p c 的b e s 合作组的研 究成果在数量和质量上都具有国际先进水平，其中大量