解释重夸克偶素的湮灭衰变, 历史上对确立量子色动力学的渐进自由的性质起过关键作用. 大约40年前, 赝标夸克偶素的单举强衰变宽度在非相对论极限下的次领头阶(NLO)辐射修正已被意大利和日本两组理论家独立完成. NLO修正的贡献十分重要, 因此人们自然好奇下一阶辐射修正的大小. 由于技术上的巨大挑战, 在将近40年的漫长时间内, 人们对于ηc强衰变宽度的NNLO修正始终一无所知. 随着近年来量子场论高阶微扰计算技术的迅速发展, 2017年夏人们终于迎来了期待已久的突破. 经过几年的不懈努力, 贾宇等克服了重重技术困难, 最终借助于国家超级计算广州中心提供的天河平台完成计算. 在这篇论文中, 贾宇等首次明确验证了从QCD第一性原理出发的有效场论方法——非相对论性的QCD(NRQCD)因子化对于单举过程在次次领头阶依然成立. 然而, 将NNLO辐射修正与已知的相对论修正相结合, 他们发现目前最完备的NRQCD预言与实验测量的ηc总宽度, 尤其与实验测量的ηc衰变到双光子的分支比, 均存在严重分歧. 这意味着著名的NRQCD方法尽管理论根基十分坚固, 但对于粲夸克偶素而言, 由于粲夸克质量不够大, 导致微扰展开的收敛性非常差, 使其有效性面临着严峻挑战. 另一方面, NRQCD方法能够满意地解释实验测量的基态底夸克偶素ηb的强衰变宽度. 同时, 他们给出了ηb衰变到双光子分支比的精确预言, Br[ηb→γγ]=(4.8±0.7)×10-5, 有待将来被超级B工厂实验检验.
值得注意的是, 该研究工作的结论与贾宇等2015年发表在《物理评论快报》的论文的结论是相互印证的, 即NRQCD方法应用于到涉及粲夸克偶素的过程面临挑战. 论文首次计算了粲夸克偶素遍举产生过程的NNLO辐射修正. 研究了γ*γηc跃迁形状因子随动量转移的变化, 发现当包含NNLO修正后, 最精确的NRQCD预言与BaBar实验测量值相差甚远.
贾宇等首次对涉及粲夸克偶素的单举衰变与遍举产生过程计算了NNLO辐射修正, 均发现其贡献十分重要, 考虑其修正效应后, 理论预言与实验测量严重不符. 这意味着对粲偶素而言, NRQCD短程系数的微扰展开的收敛性很差. 他们认为, 这个问题的根源来自于粲夸克的质量并不是很大, 因而在粲能标定义的强耦合常数并不算小, 从而严重损害了微扰展开的收敛性. 广为应用的NRQCD因子化方法虽然理论根基坚实, 但对于粲夸克偶素而言, 其有效性似乎面临着严峻挑战, 仍需要后续的深入研究来寻找其解决方案.
研究工作受到了国家自然科学基金委的资助.
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理论预言的ηc总宽度作为重整化能标μR的函数. 其中LO, NLO, NNLO分别对应微扰展开领头阶, 次领头阶, 以及次次领头阶的理论预言. 图中蓝色带状图是ηc总宽度的实验测量值.
NRQCD因子化对ηc到双光子分支比的预言作为重整化能标μR的函数. 图中蓝色带状图是ηc到双光子分支比的实验测量值.
NRQCD理论预言的(归一化的)γ*γηc跃迁形状因子随动量转移Q2的变化. 图中带误差的黑点代表BaBar的实验测量值. 点线, 虚线, 实线分别代表在非相对论极限下关于微扰展开的领头阶, 次领头阶, 次次领头阶预言.