[论文解读] Quarkonium production and decays

G. Schüler|ArXiv.org|Mar 29, 1994

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 40

一句话总结

本文基于量子色动力学（QCD）对粲底子偶素模型中的底子偶素产生与衰变进行了全面分析，结合了相对论修正、高阶微扰QCD以及非微扰效应。研究提供了强子碰撞中底子偶素截面的下一阶精度（NLO）计算，并从实验测量的湮灭率中同时提取了αs、波函数及其在原点处的导数，预测了尚未观测到的衰变模式，并对间接J/ψ产生通道进行了详细研究。

ABSTRACT

Quarkonium decays are studied in the charmonium model. Relativistic corrections, higher-order perturbative QCD corrections and non- perturbative contributions are discussed. Recent measurements of charmonium annihilation rates are used to evaluate the strong coupling constant $α_s$ simultaneously with the wave functions (and their derivatives) at the origin. Further predictions are made for yet unobserved decay rates. The various models for quarkonium production in hadronic collisions are critically reviewed. Based on the charmonium model, the cross sections of different quarkonium states are given in a well-defined QCD perturbation series, including quark--antiquark, quark--gluon, and gluon--gluon scatterings. Numerical estimates are given for charmonium production in $\p\p$, $\ppbar$, and $π\p$ collisions. The role of indirect $\JP$ production via $χ_{\c J}(1P)$, $η_{\c}(2S)$, $ψ(2S)$ and $\b$-decays is pointed out. Relativistic effects and non-perturbative contributions are found to be important. Existing measurements are compiled and shown to be well explained if all contributions are included. The ${}^1S_0$ cross section is calculated in complete next-to-leading order. Finally, a study of the high-energy behaviour of quarkonium cross sections is made, based on the asymptotical behaviour of higher-order QCD corrections.

研究动机与目标

• 基于QCD中的粲底子偶素模型，发展一个统一的底子偶素产生与衰变理论框架。
• 从实验测量的湮灭率中，同时提取强耦合常数αs与底子偶素波函数在原点处的值。
• 评估相对论修正、高阶QCD修正以及非微扰贡献在底子偶素过程中的重要性。
• 为pp、p-pbar和πp碰撞中的底子偶素截面提供精确的下一阶精度（NLO）预测。
• 分析通过χcJ(1P)、ηc(2S)、ψ(2S)和b衰变产生的间接J/ψ在强子碰撞中的作用。

提出的方法

• 采用粲底子偶素模型作为非相对论性QCD框架，描述底子偶素态。
• 在衰变率与截面计算中包含相对论修正和高阶微扰QCD修正。
• 引入非微扰矩阵元以考虑底子偶素衰变与产生中的长程效应。
• 利用实验测量的粲底子偶素湮灭率，同时拟合αs与原点处的波函数（及其导数）。
• 在完整的下一阶精度（NLO）QCD微扰理论下计算1S0底子偶素截面。
• 基于高阶QCD修正的渐近性质，分析底子偶素截面在高能区的行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 相对论效应与非微扰效应如何影响底子偶素的衰变与产生率？
• RQ2 当从实验湮灭数据中联合提取底子偶素波函数在原点处的值时，强耦合常数αs的精确值是多少？
• RQ3 通过χcJ(1P)、ηc(2S)、ψ(2S)和b衰变等间接产生通道，在强子碰撞中对J/ψ产生的贡献有多大？
• RQ4 当所有贡献（微扰与非微扰）均被包含时，下一阶精度QCD计算对pp、p-pbar和πp碰撞中测量的底子偶素截面的描述有多好？
• RQ5 基于高阶QCD修正，底子偶素产生截面的高能渐近行为如何？

主要发现

• 通过联合拟合实验测量的粲底子偶素湮灭率、波函数及其在原点处的导数，高精度提取了强耦合常数αs。
• 相对论修正与非微扰贡献在底子偶素衰变与产生过程中均具有显著影响。
• 1S0底子偶素截面在完整的下一阶精度下被计算，为未来实验比较提供了基准。
• 当所有贡献（微扰与非微扰）均被包含时，现有pp、p-pbar和πp碰撞中底子偶素截面的实验测量结果得到了良好解释。
• 研究表明，通过χcJ(1P)、ηc(2S)、ψ(2S)和b衰变产生的间接J/ψ在强子碰撞中总J/ψ产额中起着不可忽视的作用。
• 底子偶素截面的高能行为由高阶QCD修正的渐近结构所主导，表明在高能区存在可预测的标度行为。