中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的賈宇研究員，與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、高能所客座學(xué)者馮鋒副教授，以及西南大學(xué)的桑文龍副教授，在國(guó)際上首次成功計(jì)算了贗標(biāo)重夸克偶素強(qiáng)衰變寬度的次次領(lǐng)頭階(NNLO)輻射修正，并結(jié)合最新的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行了深入的唯象討論。相關(guān)論文于12月20日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》 (Phys. Rev. Lett. 119, 252001 (2017))。該工作代表了重夸克偶素理論研究的一個(gè)重要進(jìn)展。
解釋重夸克偶素的湮滅衰變,歷史上對(duì)確立量子色動(dòng)力學(xué)的漸進(jìn)自由的性質(zhì)起過(guò)關(guān)鍵作用。大約40年前,贗標(biāo)夸克偶素的單舉強(qiáng)衰變寬度在非相對(duì)論極限下的次領(lǐng)頭階(NLO)輻射修正已被意大利和日本的兩組理論家獨(dú)立完成。NLO修正的貢獻(xiàn)十分重要，因此人們自然好奇下一階輻射修正的大小。由于技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)，在將近40年的漫長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，人們對(duì)于ηc強(qiáng)衰變寬度的NNLO修正始終一無(wú)所知。隨著近年來(lái)量子場(chǎng)論高階微擾計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，2017年夏人們終于迎來(lái)了期待已久的突破。經(jīng)過(guò)幾年的不懈努力，賈宇等人克服了重重技術(shù)困難，最終借助于國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心提供的天河平臺(tái)成功完成了計(jì)算。在這篇論文中，賈宇等人首次明確驗(yàn)證了從QCD第一性原理出發(fā)的有效場(chǎng)論方法--非相對(duì)論性的QCD(NRQCD)因子化對(duì)于單舉過(guò)程在次次領(lǐng)頭階依然成立。然而，將NNLO輻射修正與已知的相對(duì)論修正相結(jié)合，他們發(fā)現(xiàn)目前最完備的NRQCD預(yù)言與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的ηc總寬度、尤其與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的ηc衰變到雙光子的分支比，均存在著嚴(yán)重分歧。這意味著著名的NRQCD方法盡管理論根基十分堅(jiān)固，但對(duì)于粲夸克偶素而言，由于粲夸克質(zhì)量不夠大，導(dǎo)致微擾展開(kāi)的收斂性非常差，使其有效性面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。另一方面，NRQCD方法能夠滿意地解釋實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基態(tài)底夸克偶素ηb的強(qiáng)衰變寬度。同時(shí)，他們也給出了ηb衰變到雙光子分支比的精確預(yù)言，Br[ηb→γγ]=(4.8±0.7)×10-5，有待將來(lái)被超級(jí)B工廠實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。
值得指出的是，本工作的結(jié)論與賈宇等人于2015年發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》的論文(Phys. Rev. Lett. 115，222001(2015))的結(jié)論是相互印證的，即NRQCD方法應(yīng)用于到涉及粲夸克偶素的過(guò)程面臨挑戰(zhàn)。那篇論文首次計(jì)算了粲夸克偶素遍舉產(chǎn)生過(guò)程的NNLO輻射修正。他們細(xì)致研究了γ*γηc躍遷形狀因子隨動(dòng)量轉(zhuǎn)移的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)包含NNLO修正后，最精確的NRQCD預(yù)言與BaBar實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相差甚遠(yuǎn)。
賈宇等人首次對(duì)涉及粲夸克偶素的單舉衰變與遍舉產(chǎn)生過(guò)程計(jì)算了NNLO輻射修正，均發(fā)現(xiàn)其貢獻(xiàn)十分重要，考慮其修正效應(yīng)后，理論預(yù)言與實(shí)驗(yàn)測(cè)量嚴(yán)重不符。這意味著對(duì)粲偶素而言，NRQCD短程系數(shù)的微擾展開(kāi)的收斂性很差。他們認(rèn)為，這個(gè)問(wèn)題的根源來(lái)自于粲夸克的質(zhì)量并不是很大，因而在粲能標(biāo)定義的強(qiáng)耦合常數(shù)并不算小，從而嚴(yán)重?fù)p害了微擾展開(kāi)的收斂性。廣為應(yīng)用的NRQCD因子化方法雖然理論根基堅(jiān)實(shí)，但對(duì)于粲夸克偶素而言，其有效性似乎面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，仍需要后續(xù)的深入研究來(lái)尋找其解決方案。
該工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。
理論預(yù)言的ηc總寬度作為重整化能標(biāo)μR的函數(shù)。其中LO、NLO、NNLO分別對(duì)應(yīng)微擾展開(kāi)領(lǐng)頭階、次領(lǐng)頭階、以及次次領(lǐng)頭階的理論預(yù)言。
圖中藍(lán)色帶狀圖是ηc總寬度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。
NRQCD因子化對(duì)ηc到雙光子分支比的預(yù)言作為重整化能標(biāo)μR的函數(shù)。圖中藍(lán)色帶狀圖是ηc到雙光子分支比的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。
NRQCD理論預(yù)言的(歸一化的)γ*γηc躍遷形狀因子隨動(dòng)量轉(zhuǎn)移Q2的變化。圖中帶誤差的黑點(diǎn)代表BaBar的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。
點(diǎn)線、虛線、實(shí)線分別代表在非相對(duì)論極限下關(guān)于微擾展開(kāi)的領(lǐng)頭階、次領(lǐng)頭階，次次領(lǐng)頭階預(yù)言。
論文鏈接
Phys. Rev. Lett. 119, 252001 (2017)：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.252001
Phys. Rev. Lett. 115，222001(2015)：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.222001
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