基本介紹
概念,雙輕子束縛態與夸克—輕子準束縛態,研究背景,研究進展,三輕子束縛態基態能及其精細結構,
概念
輕子束的發現源於實驗上發現的輕子和層子數目的增加和輕子與層子之間的相似性，啟發人們推測，輕子和層子很可能是由更“基本”的粒子(亞層子)組成的複合粒子，任何輕子的複合模型必須同以下兩個基本實驗事實相容。其一是輕子的半徑很小，遠小於其康普頓波長；其二是輕子反常磁矩的測量值同點粒子的QED理論非常精確地符合，輕子內部結構所貢獻的反常磁矩非常小。壓低複合粒子反常磁矩的一種可能性是利用手征不變性理論。另一種可能性是假定複合態的組分粒子很重，束縛態半徑很小。文獻利用不同的方法論證了後一種可能性。文獻利用束縛態的協變場論方法計算了輕子的電磁形狀因子，也得到了相同的結論。這種方法的特點是通過束縛態B一S波函式給出輕子半徑和反常磁矩之間的關係。
雙輕子束縛態與夸克—輕子準束縛態
研究背景
實驗上首次發現的雙輕子束縛態是處於自旋單態與自旋三重態中的電子偶素。然而尚未見關於其他的雙輕子束縛態的研究報導。同時，近年來人們對於同時具有輕子量子數與夸克量子數的所謂Leptoquark粒子的興趣與日俱增，且實驗上也發現了處於非色單態的粒子存在的跡象。雖然，Leptoquark粒子可能是一種超出粒子物理標準模型的基本粒子；但在標準模型中是否也可以對既具有輕子量子數又具有夸克量子數的粒子給出理論解釋，這個問題實際上還沒有認真研究過。本文基於粒子物理的標準模型，在定態微擾論的框架中，採用兩費米子電磁相互作用的哈密頓量，計算雙輕子束縛態譜與夸克- 輕子準束縛態譜。
表 1 夸克 - 輕子準束縛態與三重態的結合能及其自旋分裂
表 1 夸克 - 輕子準束縛態與三重態的結合能及其自旋分裂研究進展
雙輕子束縛態與夸克-輕子準束縛態是否能穩定地存在，還取決於它們的衰變寬度或壽命的大小，特別是top夸克的壽命極短，約為0.4×10-24s，它在還未來得及形成束縛態之前就已經通過主要衰變道衰變成帶電弱規範玻色子W與 bottom夸克了；因而，關於雙輕子束縛態與夸克- 輕子準束縛態壽命或其穩定性的研究，將是一個很有意義的工作。
根據粒子物理標準模型，在定態微擾論的框架中，採用兩體Breit 勢計算了雙輕子束縛態譜與帶色的夸克-輕子準束縛態譜。利用輕子質量與夸克流質量的經驗值，得到了處於基態的束縛態或準束縛態結合能與相應的自旋分裂。
三輕子束縛態基態能及其精細結構
自然界中不僅存在三夸束縛態，例如質子、中子等重子，也存在雙輕子束縛態，例如正電子偶素。相關研究中還計算了有可能存在的雙輕子束縛態的基態結合能與自旋分裂。雖然實驗上還未發現三輕子束縛態，但是並沒有確鑿的理由說這種束縛態不可能存在。還沒有人從理論上認真研究這一問題。本文在三輕子體系僅靠電磁相互作用能形成束縛態的假設下，採用Breit兩體電磁相互作用勢，用定態微擾論計算了三種輕子束體系的基態能及其精細結構。
在零級近似下，根據體系基態的定態波函式計算得到如下結論：
（1） 在本文所考慮的一類三輕子系統中，一個輕子的質量比其餘兩個輕子的質量大得多。因而，在三粒子系統的質心繫中，重輕子的運動可以略去。這種省略的結果是，在零級近似中，求解三粒子束縛態的問題實際上成為兩粒子束縛態的問題，使得困難的三體問題變得容易處理；與通常的兩體問題不同的是，重輕子的自旋所引起的效應並未略去，因而本文結果中計入了由重輕子的自旋所導至的三體效應，它具體表現為體系的自旋波函式的結構之中，並在實驗觀察中表現為與兩粒子體系不同的譜的精細結構。
（2）一重兩輕的三輕子的束縛態的基態能級，在輸入數據與計算過程的誤差範圍內幾乎完全由零級近似結果與庫侖一級修正決定；且計算表明，庫侖二級修正僅限於表2中所示的誤差之內。這一方面說明本文的微擾展開方法是成功的，同時也證明了所得結果的正確性。
（3）其它的微擾修正，包括相對論修正與自旋-自旋相互作用修正，在輸入數據與計算過程的誤差範圍內對三輕子束縛態基態能級的貢獻幾乎可以忽略。但在單獨考慮體系的自旋分裂時則具有重要作用。
（4）本文計算結果說明，一重兩輕的三輕子束縛態不僅是可能存在的，而且所考察的三輕子束縛態 e-τ+e-的結合能與氫原子的結合能差不多，其餘兩個三輕子束縛態的結合能則比氫原子的結合能大得多。事實上，一個質子與兩個電子可以結合而形成很穩定的束縛態，即 H-。它是如此穩定，以至於當加速時仍保持為束縛狀態。位於加拿大Vancouver的TRIUMF實驗組在加速器中通過將H-加速到光速的3 /4後獲取高能質子(當加速過程完成後，再將質子從H-中通過一個特殊的金屬箔剝離出來)。這裡的H-體系是一個完全由電磁相互作用束縛在一起的三費米子體系，與本文所考察的三輕子束縛態在相互作用方面沒有本質的區別。
表2 三輕子束縛態基態能的零級近似與各類一級修正
表2 三輕子束縛態基態能的零級近似與各類一級修正