基于量子色动力学精确计算重味强子的弱衰变振幅

The ongoing LHCb experiment and the upgraded Belle II experiment provide valuable opportunities to test the Standard Model (SM) of particle physics with high precision and to deepen our understanding towards the strong interaction dynamics of heavy quark decays. It is then widely accepted that heavy quark physics will continue to be the center of attention at the frontier of particle physics. The major objective of this project can be decomposed as follows: (1) We plan to construct proper QCD factorization theorems to compute the power suppressed contributions in exclusive B-meson decays, based upon the fundamental theory of the strong interaction and its effective field theories. This will be essential to understand factorization properties of the sub-leading power contributions and to improve the theory accuracy for the determinations of the CKM matrix elements. (2) We will investigate the renormalization group evolution behaviours of higher twist heavy-hadron light-cone distribution amplitudes (LCDA) systematically, and derive the perturbative QCD constraints on the hadronic LCDA in the limit of the large light-quark momentum, for the sake of constructing more consistent theoretical models for the heavy-hadron LCDAs. (3) We aim at developing a systematic approach to calculate the electromagnetic corrections to exclusive B-meson decays, and performing the resummation of large logarithms which could potentially induce the breakdown of the perturbative expansion in the QED coupling constant. Such study will be crucial to understand whether the observed deviations between theory predictions and experimental measurements in B-meson decays are indeed due to new physics beyond the SM.

正在运行的LHCb和升级后的Belle II实验为精确检验粒子物理的标准模型以及深入理解重夸克衰变的强相互作用动力学提供了宝贵的契机，重夸克物理将继续成为粒子物理研究的前沿课题。研究目标包括：（一）从强相互作用的基本理论及其有效场论出发，尝试构建合适的量子色动力学因子化定理来计算遍举B介子衰变振幅的幂次修正，深入理解幂次修正的因子化特性，并进一步提高理论上抽取CKM矩阵元的精度。（二）系统地研究B介子和Λb重子的高扭度光锥分布振幅的重整化群演化行为，并结合微扰量子色动力学关于分布振幅在大的轻夸克动量区域的预言，构建更加自洽的重味强子光锥分布振幅模型，进一步减小理论预言的不确定性。 （三） 构建一套系统的方法来计算遍举B介子衰变过程中的电磁辐射修正，并利用重求和技术将可能破坏微扰展开的大对数收集起来，从而判定B介子衰变中观测到的理论预言与实验测量的偏离是否确实为超越标准模型的新物理信号。

重味夸克物理对于精确检验粒子物理标准模型中的夸克味道混合机制以及寻找新物理信号均具有重要的理论意义与现象学价值。该研究项目的主要内容为在量子色动力学框架下，模型无关地计算B介子遍举衰变振幅的高阶微扰修正以及幂次修正效应，并发展描述这些过程中电磁辐射修正效应的系统理论方法，同时进一步考察重味强子高扭度的光锥分布振幅的重整化特性。. 在项目执行期间，研究团队在国际主流学术期刊总计发表论文18篇，代表性的研究成果及其科学意义如下：. 1. B介子遍举衰变振幅的高阶微扰修正与幂次修正效应. 首次解析计算了半轻子衰变B→Dlν过程的形状因子的次领先阶QCD修正，并且计算了两粒子与三粒子高扭度B介子光锥分布振幅对上述形状因子的贡献。论文JHEP 1706 (2017) 062发表以后收到国际理论与实验同行的广泛关注，迄今已被引用36次。. 2. 高扭度B介子光锥分布振幅的微扰与非微扰特性. 首次构建了理论上自洽的扭度为五和六的B介子光锥分布振幅的唯象模型；并且利用大动量有效理论构建了B介子准分布振幅，为非微扰抽取B介子光锥分布振幅奠定了理论基础。论文JHEP 1901 (2019) 024以及Phys. Rev. D(R) 102 (2020) 011502 发表一年以来， 被国际同行总计引用近40次。. 3. B介子遍举衰变过程中的电磁辐射修正. 首次利用光锥求和规则解析计算了重味介子电磁跃迁过程中的长程光子效应的次领先阶微扰修正，并且利用软-共线有效理论以及QCD因子化方法，系统构建了计算Bq→γ l l 衰变振幅幂次修正效应的理论框架。论文JHEP 2004 (2020) 023 以及JHEP 2012 (2020) 148被国际同行评价为“sets the new standards of accuracy in such calculations.”。