B介子及重子弱衰变中新物理唯象研究

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粒子物理的标准模型(Standard Model,SM)已经被证明是描述强相互作用、电磁相互作用以及弱相互作用的最好理论,它的预言几乎能经受住所有实验的检验,尤其是Higgs玻色子的发现。然而,标准模型并不完美,虽然能给电弱对称性破缺以合理的解释——Higgs机制,但是负责电弱对称性破缺的标量二重态是否只有一个尚未明确。另外,实验上也存在一些与标准模型预言有偏离的观测量,如R(D(*)),RK等,这些问题的存在,为新物理(New Physics,NP)留下了一定的空间。对新物理的探索,一方面可以从高能量的实验直接寻找新物理信号,如欧洲的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC);另一方面可以通过高亮度的精确味物理研究间接探测新物理,尤其对b味物理的研究,是非常有效的手段,因为低能量区域,虽然不能直接产生新粒子,新物理却可以通过圈图对低能味物理过程产生修正,可以探测到很高能量标度下的新物理迹象。  本文主要研究两种新物理模型在B介子衰变,中性B介子混合以及Λb重子衰变中的唯象效应,其中一种新物理是双Higgs二重态模型(Two Higgs Doublet Model,2HDM),具体是指最小味破坏(Minimal Flavor Violation,MFV)假设下的色八重态2HDM;另一种是Leptoquark(LQ)模型,具体包括标量和矢量两种情形。  首先,分别在第一和第二章中介绍了B物理研究的意义及进展,及其理论基础;然后,在第三章中介绍了色八重态2HDM,系统计算了B0s,d-(B)0s,d混合中的观测量△Ms,d,并且与通常计算不同的是,考虑了外线b夸克的质量和动量;还详细计算了纯轻衰变Bs,d→μ+μ-过程中的平均时间积分分支比(B)(Bs,d→μ+μ-),综合考虑Z→b(b),辐射衰变B→Xsγ以及B→K*(ρ)γ过程,对该2HDM的参数进行联合限制。发现,这些过程对Yukawa耦合系数ηu的限制很强,而对另一个Yukawa耦合ηd则基本无限制,对Higgs势中的参数λ1也无任何限制;另外,B介子的遍举和单举辐射衰变过程与其他所考虑过程对NP参数的依赖关系不同,可以提供补充信息。  标量和矢量LQ模型都可以解释遍举半轻衰变(B)→D(*)τv(τ)过程中物理量R(D(*))的反常,在第四、五两章分别讨论了这两种LQ模型在B介子和Λb重子弱衰变中的唯象效应。第四章中,首先通过对Bc介子的纯轻衰变B-c→τ-(v)(τ)排除掉标量LQ模型中的两组解,进而考察剩余的两组解对辐射衰变Bc→τ(v)(τ)γ、遍举半轻衰变(B)→D(*)(τ)(V)(τ)以及单举半轻衰变(B)→Xc(τ)(V)(τ)过程中观测量的影响。发现标量LQ模型剩余两组解几乎对所有观测量,除D*介子和(τ)轻子的纵向极化和轻子的前后不对称以外,相对标准模型的预言都有一定的增强,而这两组解之间是很难进行唯象区分的。第五章中,考察这两种LQ模型对同是由b→c(τ)(v)(τ)夸克层次跃迁过程诱导的Λb重子衰变Λb→Λc(τ)(v)(τ)过程的影响,发现这两种LQ模型对该过程几乎所有观测量,除Λc重子和(τ)轻子的纵向极化以外,相对SM的预言都有几乎相同的增强,因此这两种LQ模型无法区分开来,另外每种LQ模型的两组解之间也无法通过该半轻衰变过程进行区分。  理论上,随着格点(Lattice)QCD的发展,与低能区强相互作用相关的非微扰参数可以更加精确地计算,很多B物理过程将会得到更可靠的预言。实验上,正在运行的LHC,以及将来的超级B工厂SuperKEKB,积分亮度都会有很大的提高,可以提供更多B介子的产生和衰变事例数,为B物理的研究提供了良好的发展前景。
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