超級Z工廠上強子化機制及重味強子的研究

摘 要：強子化過程普遍存在于各種高能反應中，屬于當前仍未解決的非微擾量子色動力學問題，只能通過各種唯象模型來描述。該文根據當前流行的LUND弦碎裂模型和夸克組合模型的強子化圖象，針對超級Z工廠，討論了強子多重數、重子介子比、重子反重子關聯等系列強子化效應，將上述強子化模型的理論預言結果與實驗數據進行了比較分析。結果表明，未來計劃建造的超級Z工廠，在實驗精細檢驗強子化機制、探尋稀有強子產生等方面，具有非常重要的意義。

關鍵詞：超級Z工廠 強子化模型 重子介子比 重子反重子關聯

中圖分類號：O572.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0023-02

因強子化過程的非微擾性，強子化機制到目前仍未解決。強子化機制普遍存在于各種高能反應中，如e+e-湮滅、強子/核子-強子/核子碰撞等。在這些反應中，特別是在將來的超級Z工廠，高能e+e-湮滅是研究強子化機制的最佳場所，因為所有末態強子都是由初態通過強子化產生。高能e+e-湮滅到強子的過程一般分為4個階段.

（1）弱電過程。即e+e-湮滅為虛光子或中間玻色子，再由它們轉變為初始的正反夸克對。這一過程可由標準模型中的弱電理論嚴格計算。

（2）微擾過程。初始夸克對輻射出膠子，膠子進一步劈裂為次級夸克與次級膠子，并由它們繼續輻射出膠子。這一過程可用微擾量子色動力學（PQCD）進行嚴格計算。

（3）強子化過程。這一過程中，夸克和膠子通過相互作用禁閉而形成強子。這一過程屬于當前仍未解決的非微擾QCD問題，因此只能通過各種唯象模型描述。

（4）不穩定直生強子的衰變過程。這一過程可通過實驗觀測來研究。

該文主要研究上述第3過程，即強子化過程。主要方法是通過將各種強子化模型的結果與實驗數據進行比較，來分析和討論末態強子的特性與產生機制，超級Z工廠是研究這一過程的有利場所。

當前流行的強子化模型，如LUND弦碎裂模型（LSFM）[1]、Webber集團碎裂模型（WCFM）[2]及夸克組合模型等，在解釋e+e-湮滅與質子對撞過程的相關實驗數據方面相當成功。QCM最初是由Annisovich和Bjorken等人提出的[3]，它不需要引入任何附加機制，就能在統一的框架下自然地描述重子和介子的產生規律，這是其最大優點之一。特別是山東夸克組合模型（SDQCM）及其夸克產生率和組合率，獲得了一系列結果[4]，證實了它可以自然地解釋末態多部分子 相空間快度關聯及重子介子比。

強子化模型是微擾QCD過程和實驗之間的橋梁，因此有關它的研究非常重要。輕強子方面的研究在先前的工作中已被討論，這里主要利用LSFM和SDQCM來討論重強子，如Λc、Λb、Bu的產生。

1 超級Z工廠上的強子化效應研究

該文利用LSFM及SDQCM在超級Z工廠研究了強子化。重點研究了重重子的特性，如重子介子比、重子反重子關聯等。對于LSFM，我們采用文獻[4]中的參數，它與實驗數據相符甚好。

首先我們研究了LSFM和SDQCM在超級Z工廠對末態強子多重數的預言。通過比較可發現，LSFM和SDQCM的預言與大多數實驗數據[5]相一致。但表1中列出的一些重重子（如Ξb， Σb， Ωb）的多重數在Z0能量下仍未被測量，且上述兩種模型的理論預言有較大差別。因此，在Z0能量下測量這些粒子的產生率是區別不同強子化機制的有效途徑。

我們在Z0能量下研究了重重子的產生率與積分亮度間的關系。結果表明，對LEP I，LSFM 和SDQCM預言的Ξb的產生率約為103，Ωb的產生率約為數十或數百。為足夠精確研究重重子的產生機制，積分亮度應增加到足夠大。假設超級Z工廠積分亮度可達104pb-1，根據LSFM或QCM的預言，Ωb的產生率就可達幾千甚至幾萬，可更精確研究重重子的特性和檢驗強子化模型。

在LSFM中，重子介子比可通過一些自由參數來調節，而SDQCM在統一的框架下描述重子和介子，因此重子介子比可自然地獲得。表2給出了Z0能量的一些重子介子比。可以看出，LSFM與SDQCM都可解釋當前的數據。

研究重子的特性，特別是相應的 味關聯，有益于揭示強子化機制的本質。 味關聯量定義為 ，其中是的數目，是重子（反重子）的數目。分別對應（） 的情況[6]。LSFM與SDQCM預言的 味關聯量及相應的OPAL數據[6]在表3中列出。

2 結語

該文重點研究了與重強子有關的預言結果，如LSFM和SDQCM在Z0能量的重子介子比、 味關聯等。結果表明，超級Z工廠未來實驗在檢驗強子化機制，特別是探尋稀有強子，如雙重重子的產生方面具有非常重要的意義。在e+e-湮滅過程中，雙重重子的產生揭示了末態部分子系統一種特殊的色連接方式，其在流行的強子化模型中并未被考慮。在將來的超級Z工廠，相應的可觀測物理量能以更高的統計性被測量。因此，強子化機制及其非微擾本質可在超級Z工廠進一步研究。

參考文獻

[1]SJ?STRAND T. Status of fragmentation models[J]. Int J of Mod Phys A， 1998， 3： 751-804.

[2]Webber B R. A QCD model for jet fragmentation including soft gluon interference[J]. Nucl Phys B， 1984， 238： 492-528.

[3]Bjorken J D， Farrar G R. Particle ratios in energetic hadron collisions[J]. Phys Rev D， 1974， 9：1449-1453.

[4]Si Z G， Xie Q B. Studying e+e? → h′s process by event generator of quark combination model （in Chinese） [J]. High Energy Phys Nucl Phys， 1999， 23： 445-458.

[5]Particle Data Group. Review of particle physics[J]. Phys Lett B， 2008， 667：355-356.

[6]Abbiendi G， Ackerstaff K， Alexander G， et al. Precision luminosity for Z0 lineshape measurements with a silicon-tungsten calorimeter[J].Eur Phys J C， 2000， 14：373-425.