4.2物理目标-bes

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1、北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计4.2物理目标粒子物理的标准模型，尤其是弱电相互作用的成功已为以LEP为主的大量精确测量所确认。目前，人们一方面期望在更高能量下寻找新的物理现象，另一方面则期望在对各物理量的精确测量中观察到新物理存在的迹象。前者以目前正在运行的Tevatron和正在建造中的LHC为代表，而后者则以高亮度的粒子“工厂”为代表—如工作在φ能区的DAφNE和工作在Υ能区的KEKB和SLAC的B工厂。φ能区物理为针对第二代下夸克s夸克的测量，Υ能区物理则为针对第三代下夸克b夸克进行CP破坏

2、的观测等。与之相对应，在τ-粲能区，针对第三代轻子τ和第二代上夸克粲夸克的专门的高亮度实验设备，虽然早在上个世纪80年代末就已提出，却由于种种原因迟迟未能实现。标准模型的另一个重要组成部分—量子色动力学（QCD）在大动量转移下的计算已为大量的实验事实所检验，但它在低能区的推广则因为微扰论的不适用逐渐丧失了预言能力。尤其是对胶子球、混杂态的性质以及对相同能区的大量强子态的性质，理论上几乎没有定量的结论，这大大阻碍了人们对于低能强相互作用的认识。格点量子色动力学（LQCD）的发展，尤其是计算精度的进一步提高

3、原则上将提供更多的理论预言，但同时，其计算的可靠性需要高精度实验数据的刻度。τ-粲能区粒子及其衰变产物正处在LQCD计算起决定作用的能区，相应的物理研究将是非常必要的。将现在运行在τ-粲能区的BESII/BEPC升级到BESIII/BEPCII，达到1033cm-2s-1的峰值亮度，无疑对该能区上述两个方面高精度的物理研究提供了条件，将有效地促进粒子物理的进一步发展。4.2.1弱电相互作用研究工作在τ-粲能区的BESIII将有可能在夸克和轻子两个方面对弱电理论进行精确的检验。4.2.1.1CKM矩阵元的

4、精确测量由于参与弱相互作用的夸克不是质量本征态，导致在弱相互作用夸克本征态和质量本征态间存在着一个变换矩阵，它先由Cabibbo提出[1]，并由Kabayashi和Maskawa推广至三代夸克的情形[2]，称为CKM矩阵，北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计÷÷÷øöçççèæ'''bsd其中，为弱相互作用本征态，而为质量本征态，矩阵V满足么正性。这个矩阵可由三个混合角和一个相角表示。作为标准模型的基本参数，上述矩阵中每个矩阵元均具有基础性的意义，它们保证了理论的完整性和有效性。在与粲夸克有关的矩阵元

5、中，由于Vcs和Vcd都直接与Ds或D的纯轻子衰变或半轻子衰变宽度有关，可以通过相应的测量将其精度分别提高到1.6%和1.8%。Vcb的测量虽不能通过D或Ds的衰变直接测得，但考虑到它由B到D的衰变宽度测得，因而将受D标记中标记道分支比测量精度的影响[3]。BESIII对于D衰变绝对分支比测量精度的提高，结合B工厂的进一步测量和格点量子色动力学的共同努力，可将Vcb的测量精度提高到3%。在利用和的混合测量Vtd和Vts时，Bd和Bs的衰变常数fBd和fBs由于无法从实验上测量而需要理论的输入[4]，而理

6、论计算最可靠的检验是利用对D和Ds的衰变常数fD和fDs的测量和计算进行。BESIII上D和Ds的衰变常数可以测量到2%或更高精度，利用这些结果，刻度理论计算可得到可靠的fBd和fBs，这对提高Vtd和Vts的测量精度有很大的帮助。由于CKM矩阵中只有四个未知量，在实验上对每个矩阵元都进行了高精度的测量后，可以检验CKM矩阵的么正性以及归一化特性，任何显著的与期望值的偏离都预示着CKM矩阵是不完备的，从而表明新物理的存在。反之，如果所有的限制都能满足，可以由测量量中拟合出相应的混合角和相角，从而得到更高

7、精度的矩阵元。4.2.1.1轻子普适性的精确检验由于Z0能区产生的τ+τ-事例的高探测效率和高纯度，在此能区利用大分支比衰变道进行τ的物理研究系统误差可以得到更好的控制；而由于在B工厂中大量τ+τ-事例的积累，使得在¡能区测量小分支比衰变过程和寻找破坏守恒律的过程有更大的优势。τ-粲能区由于处在τ+τ-能量阈，因此可以进行一些特殊的研究，包括高精度的τ质量测量以在更高精度上检验轻子普适性以及近阈处τ+τ-之间相互作用的研究等。轻子普适性是标准模型里的一个基本假定，目前已有利用τ的纯轻子衰变，半轻子衰变，

8、π及μ的衰变等精确测量结果进行检验。在利用τ轻子衰变对轻子普适性的检验中，τ质量的误差目前已经与τ的寿命及分支比测量的误差处在同一水平上。因此，利用τ+τ-截面的阈扫描实验，可将τ质量测量精度大大提高，达到0.1MeV的量级，对于轻子普适性在更高精度下的检验有重要贡献。值得提出的是，上述测量中τ+τ-近阈处的截面已有Ο(α4北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计)阶高精度的理论计算，考虑到初态辐射修正，末态库仑相互作用及真空极化的高精度计算