粲偶素奇特态及介子衰变常数的格点QCD研究

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强子质量和强子矩阵元对于强子物理的实验和理论研究十分重要。强子的性质与QCD的非微扰特性密切相关,格点QCD数值模拟作为一种重要的非微扰方法在这方面起着重要的作用。本论文在淬火近似下对矢量粲偶素混杂态的性质进行了格点QCD计算,并利用UKQCD/RBC合作组产生的包含2+1味动力学夸克的组态计算了若干赝标量和矢量介子的衰变常数。  近年来实验上发现了许多类粲偶素和类底偶素的共振结构,统称为XYZ粒子,其中Y(4260)是产生和衰变性质奇特的矢量类粲偶素粒子。本论文在淬火近似的格点QCD框架下,利用一种新型的有空间结构的混杂态算符探讨了奇特的矢量粲偶素态存在的可能性。这种算符在非相对论近似下描述的是正反粲夸克对相对于额外的带色的自由度(由色磁场算符体现)的反冲类粲偶素强子构型。我们发现这种算符优先耦合到一个质量为MX=4.33(2)的矢量态X。X和这种算符的很强的耦合在非相对论的近似下可以理解为X具有c(c)组分和有胶子自由度构成的组分,因此在一定意义上是一个奇特的类粲偶素态,或者说是一个粲偶素混杂态。在此基础上,我们在国际上首次对这个奇特矢量类粲偶素态X的衰变常数fX进行了理论预言。计算表明,fX大约比J/ψ的衰变常数小一个量级。通过分析我们给出fX一个软的上限,即fX<40MeV。由此我们估计X衰变到e+e-的分宽度的上限大致为Γ(X→e+e-)<40eV。X的这个轻子宽度为实验上确认矢量粲偶素混杂态提供了一个重要的特征参数。如果将Y(4260)解释为我们观察到的奇特矢量粲偶素态X,则可以比较合理地理解其最初只在e+e-初态辐射过程的J/ψπ+π-末态被发现的,而在e+e-湮灭的单举过程(如R扫描数据)中没有被观测到的原因。基于我们的研究,我们对Y(4260)的内部构型提出了一个色晕-粲偶素(halo-charmonium)的描述:Y(4260)是由处于颜色八重态和自旋单态的相对定域的正反粲偶素对c(c)以及有胶子构成的色晕(color halo)构成的;色八重态c(c)和色晕很容易通过交换一个软胶子从而衰变为一个粲偶素介子和轻强子。如果Y(4260)具有这种构型,则可以预期其衰变到一个粲偶素加轻强子的衰变模式应该有很大的分支比。BESⅢ基于BEPCⅡ的共统计量的e+e-数据对√s~3.9-4.42GeV的能区进行了认真分析,发现在e+e-到了/ψπ+π-、hcπ+π-、xc0ω以及DD*π末态中都看到了一个近似相同的结构MR≈4.22GeV,ΓR≈56MeV(可能就是以前看到的Y(4260)),而在其它的末态中都没有发现。如果这些衰变模式穷尽了Y(4260)的衰变,则实验给出Y(4260)的轻子衰变宽度下限为约30eV,和我们预言的约40eV的理论上限是相容的。  RBC/UKQCD格点合作组产生了含2+1味动力学夸克的规范组态,轻夸克质量对应于π介子质量为139MeV,接近mπ的实验值,格点体积为5.5fm。我们在此组态上,利用具有格点手征对称性的overlap费米作用量计算了π、K/K*、φ、D/D*和Ds/D*s介子的衰变常数。我们利用fπ和fK和实验的比较作为对理论体系的系统误差的标定。我们得到的结果为fK*=218(5)MeV,fψ=241(11)MeV,这和通过(τ)→K*v(τ)实验结果抽取的fK*=213(5)MeV以及通过φ→e+e-抽取的fψ=233(4)MeV符合的相当好。我们得到的fD=213(1)MeV,fDs=248(2)MeV,和此前格点计算的世界平均值fFLAGD=211.9(1.0)MeV和fFLAGDs=249.1(1.1)MeV是一致的。我们对矢量D介子的衰变常数的计算结果为fD*=235(3)MeV,fD*s=275(5)MeV。由于我们的计算在物理的夸克质量的条件下进行,手征外推的系统误差很小,所以结果更为可靠。我们还计算了质量介子横向衰变常数与衰变常数的比值fTV/fV,结果为fTK*(2GeV)/fK*=0.7391(9),fTψ(2GeV)/fφ=0.764(1),fTD*(2GeV)/fD*=0.9148(1),fTD*s(2GeV)/fD*s=0.9192(2),对于K*和φ的比值,我们的结果与之前的格点计算相当,对于D*(s)我们则是第一次在格点上计算。同时,我们还能很清楚的看到,随着夸克可质量变轻,fTV/fV也在向大Nc极限下的1/√2靠近。这些参数中,赝标量介子的衰变常数对实验上确定CKM矩阵元有重要意义;质量介子的衰变常数可以为重介子的非轻弱衰变的唯象理论研究提供非微扰理论参数。
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