QCD在B介子弱衰变中的应用及CP破坏效应研究

Strong and weak interactions are two kinds of important interactions between quarks, which determine the property and decay behavior of hadrons. Weak decays of B meson are ideal place to study the property of strong and weak interactions. A large amount of data has been collected within ten years by B factories in the US and Japan during their running time. LHCb experiment is in operation. BelleII experiment will start to take data by the end of 2018. Larger amount of data will be accumulated with higher precision during the next decade. Based on these data, we will study weak decays of B meson in theory. The wave function of quark and antiquark in B meson will be studied. The QCD correction to distribution amplitude of B meson will be considered, and evolution of the distribution amplitude with the variation of energy scale will be considered with the method of renormalization group equation. With these developments about the B meson wave function, the weak decay modes of B meson will be carefully studied. The QCD effects will be analyzed. The factorization of the perturbative and non-perturbative contribution will be studied. Considering the possible new contributions in QCD, the precision of theoretical prediction will be enhanced. New physics beyond the standard model can show their existence through the contributions of loop diagrams in rare B decays. Possible new physics effects will be studied in rare B decays.

强相互作用和弱相互作用决定了强子的结构和衰变特征。研究B介子弱衰变是研究强和弱相互作用的理想途径。结合两个B介子工厂十年运行期间取得的实验数据，以及正在运行的LHCb实验和2018年底即将投入运行的BelleII实验，更多更精细的B介子衰变的实验数据将被获得。以大量的实验数据为基础，本项目拟开展B介子弱衰变的理论研究。我们将研究B介子中描述夸克反夸克动量分布的波函数，考虑QCD效应对B介子中夸克动量分布振幅的影响，利用重整化群方程研究B介子分布振幅随能标的演化。在此基础上，研究B介子的各种弱衰变道，仔细分析其中的QCD效应，研究清楚将微扰和非微扰贡献分开的因子化问题，考虑衰变过程中可能存在的与QCD相关的新贡献，提高理论预言精度。B介子稀有衰变过程，往往对于超出标准模型的新物理较为敏感。本课题对B介子衰变过程中可能存在的新物理效应也将开展研究。

我们利用与QCD相容的相对论性势模型方法计算了B介子及其高激发态介子的波函数，并基于此波函数计算了B，B*及其高激发态粒子的衰变常数和纯轻衰变的分支比，理论计算与实验数据符合良好。我们在QCD单圈水平上研究了B介子-真空之间正反夸克非局域算符矩阵元随能标的演化，由此可以得到B介子分布振幅随能标的演化，为采用此B介子波函数计算B介子的衰变率提供了基础。利用求解相对论势模型下束缚态方程得到的B介子波函数研究了B→pi跃迁的形状因子，计算中保留了夸克和胶子的横向动量，并考虑了Sudakov因子的贡献以压低软相互作用。计算表明，在采用新的B介子波函数的情况下，Sudakov因子不再能够有效压低软相互作用的贡献，软相互作用的贡献高达40%以上。因此为了保证微扰计算的有效性，我们引入了红外截断能标。高于截断能标的贡献采用微扰QCD方法(PQCD)计算，低于截断能标的贡献被归入软形状因子。我们采用这个修正之后的PQCD方法进一步研究了B介子的非轻衰变过程，研究了B→pipi，Kpi衰变过程，计算了B→pipi，Kpi衰变的分支比和CP破坏。在计算中进一步发展了PQCD方法，发现为了解释实验数据，需要引入色八重态强子矩阵元，这是一个具有完全非微扰动力学性质的量。在合理范围内选取非微扰参量数值的情况下，B→pipi，Kpi衰变的分支比和CP破坏理论计算结果都能良好地与实验数据一致，因此我们给出了标准模型内的pipi，Kpi疑难问题的解决方案。我们也研究了Bs0→ϕl+l-和Bs0→J/ψϕ过程，采用QCD求和规则计算了 Bs0→ϕ跃迁的形状因子，并计算了这两个衰变过程的分支比。基于粲物理数据研究了轻介子的混合机制，为在B介子衰变过程中考虑轻介子混合现象打下了基础。