推荐2018年国家自然科学奖公示.DOC

1、推荐 2018 年国家自然科学奖公示项目名称：Bc 介子物理及双重味重子产生的研究（理论）推荐单位：中国科学院理论物理研究所主要完成人：张肇西（中国科学院理论物理研究所） 、陈裕启（中国科学院理论物理研究所） 、吴兴刚（重庆大学） 、王国利（哈尔滨工业大学） 、王建雄（中国科学院高能物理研究所）学科评审组：物理与天文学科专家提名意见提名专家：蔡荣根、中国科学院理论物理研究所、中科院院士、理论物理提名意见：Bc 介子物理及双重味重子产生研究（理论） 项目组在粒子物理理论上取得的创新成果，包括：i).指出了 单举过程是最有利产生双重味 Bc 介子和双重味重子的机制；利用 QCD 理论可信地计算出了

2、它们的产生截面，展示了运用 QCD 正确计算双重味强子碎裂函数方法；ii).应用推广的瞬时 BS 方程等系统地计算了 Bc 介子主要衰变道的分支比，寿命和衰变常数等，总结出了在高能强子对撞机上利用顶点探测器观测末态含 J/psi 粒子过程发现 Bc 介子的建议等；iii). 采用多方理论技巧，所完成的模拟 Bc 介子和双重味重子产生的蒙特卡洛程序 BCVEGPY 和 GENXICC 效率高、实用，为高能实验组开展相关研究解决了难题，被广泛采用。iv).找到了能够良好处理有相对论大反冲的束缚态间衰变的反冲效应的方法，并应用到计算双重味介子和重子的衰变。项目组上述的创新成果是对强子物理，QCD 和

3、电-弱等理论的重要发展，有重要意义，并开起了国际上计算 Bc 介子、重夸克偶素和双重味重子（其中双粲重子最轻）及其激发态的产生及其碎裂函数的理论研究热潮；促使 CDF 实验组 1998 年首次观测到 Bc 介子， LHCb 实验组 2017 年发现首个双重味重子（双粲重子）等。项目组 8 篇代表性论文至今已被 SCI 他引了 519 次；项目组被公认为理论上研究双重味强子的专家，应邀撰写总结性轮文和多次在重要国际会议上作报告。因此本人提名项目组申报国家自然科学奖。推荐该项目为国家自然科学奖二等奖。提名专家：赵政国、中国科学技术大学、中科院院士、粒子物理提名意见：Bc 介子和双重味重子（双粲重子

4、最轻）统称为双重味强子，是粒子物理标准模型预言的强子谱的重要成员，占据重要位置，是实验长期重点寻找的粒子。Bc 介子物理及双重味重子产生研究（理论） 项目组结合实验，急实验之所需，深入地开展相关的理论研究，用量子色动力学（QCD）计算了在正负电子对撞机和强子对撞机中产生 Bc 介子和双重味重子的截面，揭示了正确计算双重味强子碎裂函数的方法，发现了单举产生是最有利的产生机制；用项目组发展的方法，可信地估算了 Bc 介子寿命和 130 多个重要的弱衰变道的分支比等，指出在高能强子对撞机上通过顶点探测器观测末态含 J/psi 粒子的衰变道去寻找 Bc 介子是最佳途径。项目组所完成的蒙特卡洛模拟 Bc

5、 介子和双重味重子产生的程序 BCVEGPY 和 GENXICC 在理论上有多方创新，使它非常实用、高效。在项目组的上述创新和发现的指引下，1998 年 CDF 实验组如项目预言首次观测到了 Bc 介子，2017 年 LHCb 实验组率先发现了双粲重子。目前BCVEGPY 和 GENXICC 程序被国际上的 CDF, D0, LHCb, CMS, ATLAS 等著名实验组采用。因可结合探测器的具体情况模拟出实际事例，该两程序成为了实验组研究相关物理的得力工具。公认项目组是研究双重味强子的理论专家，8篇代表性论文已被 SCI 他引了 519 次等。因此本人提名项目组申报国家自然科学奖。推荐该项目

6、为国家自然科学奖二等奖。提名专家：孙昌璞、北京计算科学中心、中科院院士、理论物理提名意见：Bc 介子物理及双重味重子产生研究（理论） 项目组在双重味强子（ Bc 介子和两重味夸克与一轻味夸克生成的双重味重子及它们的激发态）的研究上取得了重要成果，包括：发现了单举产生是产生 Bc 介子等的最有利机制，基于此机制应用量子色动力学计算了它们及其激发态在正负电子对撞机和强子对撞机中的产生截面；发现了计算双重味强子碎裂函数的理论可计算性，给出了正确计算的方法；推广的 BS 方程等的瞬时近似 方法，可信地计算了 Bc介子的寿命、众多重要的衰变道的分宽度；提出了在高能强子对撞机上利用顶点探测器通过观测末态

7、J/psi 粒子的衰变道发现 Bc 介子的建议，并利用创新取得的理论成就，撰写了 BCVEGPY 和 GENXICC 两个高效的蒙特卡洛分别模拟Bc 介子产生和双重味重子产生的程序等。上述研究的进展和创新，涉及粒子物理基本理论，理论意义大，曾在国际上引发了计算双重味强子碎裂函数的热潮等，得到理论家的认可，并得到国际著名高能实验组 CDF, D0, LHCb, ATLAS,CMS 等的实验专家重视和采用。项目成果与实验一致，做的预言直接促成了 CDF 高能实验组 1998 年如项目建议首次观测到了 Bc 介子，以及 LHCb 实验组 2017 年发现了双粲重子（最轻的双重味重子） 。项目组的 8

8、 篇代表性论文被 SCI 他引 519 次，多次应邀参加国际合作撰写总结文章和在国际学术会议上报告等。因此本人提名项目组申报国家自然科学奖。推荐该项目为国家自然科学奖二等奖。项目简介 Bc介子是粒子物理标准模型中唯一由两种不同重味正、反夸克构成的基态介子，双重味重子是由两个重味夸克和一个轻味夸克构成的重子(其中双粲重子cc 是最轻的) ，人们将这类介子和重子统称为双重味强子。它们在强子物理，标准模型的电弱理论和量子色动力学（QCD）研究中占据独特地位。实验长期未发现它们，一时成了标准模型的缺憾。 Bc介子物理及双重味重子产生研究（理论） 项目组适时地开展了相关的研究，有所创新和发现，取得了多项

9、成果，发展了理论，且做出了观测这些强子的预言。在预言的指引下，实验上在1998年发现了Bc介子，2017年发现了双粲重子。该项目在理论上的发展已得到实验的证实，8篇代表性论文被SCI他引519次。该项目的部分成果曾获得1996年中国科学院自然科学一等奖和1999年中国物理学会吴有训物理奖。项目成果可归纳如下： 1. 国际公认该项目解决了Bc介子产生的问题，发现了 单举产生是Bc 介子最有利的产生机制，并基于微扰QCD计算出的结果，对 Bc介子产生做出了明确的预言；同时发现了重味夸克到双重味介子的碎裂函数理论上的可计算性，以实例展示了正确计算碎裂函数的方法。该项目在这方面的发现当即受到国际上的广

10、泛重视，在国际上形成了计算各种双重味强子碎裂函数的热潮。2. 发展的方法可信地计算出了Bc介子的一百多个主要弱衰变道的分支比，估算了Bc 介子的寿命等。发现Bc介子寿命相对长，指出顶点探测器在实验观测Bc 介子上的重要作用；并发现Bc介子衰变到含J/粒子的衰变道分支比相对大，指出实验应充分利用这一类黄金衰变道去发现Bc介子等。1998年CDF实验组正是参照该项目的这些预言，率先观测到了Bc 介子。3. 该项目有多方面地创新，开发出了高效率、能很好模拟Bc介子及其激发态的强产生，实验亟需的蒙特卡洛程序BCVEGPY ；开发出了高效模拟强产生双重味重子（双粲重子cc 等）的蒙特卡洛程序GENXIC

11、C。TEVATRON上的CDF和 D0实验组利用 BCVEGPY分析了Bc介子的多个过程；LHC上的LHCb、CMS和ATLAS实验组正在应用BCVEGPY 开展更为深入的Bc 介子的实验研究。2017年，LHCb实验组基于该项目组的预言并运用GENXICC程序，通过模拟对比和分析所积累的实验数据，观测到了第一个双重味重子（双粲重子cc +） 。4. Bc 介子衰变到含 J/ 等的衰变道，跃迁产物会获得相对论性的大反冲。该项目发展的洛伦兹协变的瞬时近似下的贝特-萨皮特方程和束缚态间相对论协变跃迁矩阵元计算方法，能够利用上位势理论的波函数，同时又能很好地处理这些衰变中的相对论性大反冲效应。该方法

12、已被同行肯定，认为是计算双重味介子间跃迁的有效途径之一，在文献中常被用来与其他途径做比较。客观评价该项目对Bc介子的产生、衰变和寿命以及双重味重子cc 等的产生进行了全面系统研究。8篇代表性论文的SCI他引数519次。该项目的前期成果以张肇西院士等为代表，曾获1996年中国科学院自然科学一等奖附件-19和1999年中国物理学会吴有训物理奖附件-20。 科学发现点-1,2,3,4（代表性论文-1-8）的首创性和理论上的正确性得到承认和肯定：1. 该项目完成的Bc介子及其激发态的强产生特性得到实验证实，如LHCb实验组基于在8TeV能量下得到的测量结果指出“实验测到的Bc介子横动量分布与快度分布可

13、用完整的 s4-阶强产生机制的理论计算很好地描述”附件-9。国际多个理论组的引用表明该项目最早发现了单举产生方式是产生Bc介子的最有利机制并完成详细理论推导：Baranov指出该项目的研究是“Bc介子完整产生机制的巨大成功”附件-21；国内赵光达院士认同该项目的结论“在高能正负电子对撞机上有可能发现Bc介子,在强子对撞机上可产生足够多的Bc介子”附件-21。2. 该项目在国际上最早提出的碎裂函数计算方法引领了当时国际上计算各种双重味强子碎裂函数的热潮。该项目的研究成果得到了国际高能物理领域的充分肯定，从国际上典型的引用不难看出该项目论文比其他类似工作发表的时间都要早。美国费米实验室Eichte

14、n和Quigg教授(两人为美国物理学会J.J.Sakurai理论物理奖获得者)指出是该项目发现“碎裂函数是夸克偶素产生中的重要因素”附件-10。Bodwin，Braaten和Lepage(Lepage为J.J.Sakurai奖获得者)在提出非相对论量子色动力学的经典论文中指出该项目“完成了从重夸克到S-波夸克偶素碎裂函数的领头阶计算”；欧洲核子中心资深专家Mangano教授等指出是该项目发现“可微扰计算粲夸克偶素的碎裂函数”附件-22。Braaten等在Annu.Rev.Nucl.Part.综述论文中说该项目指出了“Bc(*)介子的能量分布可用碎裂函数来描述”附件-23。Kniehl和Kram

15、er指出是该项目发现“碎裂机制在大横动量区域占主导地位”；Kiselev和Likhoded等指出该项目“基于碎裂函数给出了Bc介子强产生的解析表达式”附件-24。3. 多篇国际综述的引用附件-25,26,27反映出该项目成果已获得国际同行充分肯定。例如，国际重夸克偶素合作组在著名综述重夸克偶素物理(欧洲核子中心2004年黄皮书，该文据Inspire数据库已被引819次)和重夸克偶素：进展、困惑和机遇(Eur.Phys.J.C71(2011)1534，据SLAC Inspire数据库已被引1194次)中大量引述该项目关于Bc介子产生的研究成果。 科学发现点-1,2,3,4（代表性论文-1-8）受

16、到高能实验组的重视和广被采纳，该项目的理论指导了实验并经受了实验的检验：1. 上世纪LEP上的三个实验组：OPAL、DELPHI和ALEPH，在寻找Bc介子的尝试中将该项目的工作作为理论基础和数据分析的基础附件-30,31：OPAL组基于代表性论文附件-1重建了Bc介子横动量的依赖性；DELPHI组基于代表性论文附件-2估算了Bc介子的寿命等。2. 1998年美国强子对撞机TEVATRON上的CDF组通过观测Bc介子含J/的黄金衰变道发现了Bc介子，在发表的实验论文中引用了该项目多篇论文作为理论基础附件-11。CDF组在后续研究中多次引用了该项目论文还在正文中专门致谢附件-12,附件-32。至

17、今国际上大多数观测Bc介子的实验，仍是通过观测J/(或)和级联衰变到一对轻子实现的附件-33,34,35,36。 科学发现点-3（代表性论文-1,3,4,5,6,7）解决了国际高能物理实验的亟需，完成的程序已被高能物理实验组广为采用，成了研究相关物理的得力工具：1. CDF组于2006年后开始采用BCVEGPY程序生成的数据作为基础完成相关数值模拟分析，并在多篇论文中对该项目的主要成员特别致谢附件-32。2. 欧洲核子中心大型强子对撞机（LHC）上的CMS组将该项目成果作为基础文献引用。CMS组指出“BCVEGPY与PYTHIA程序结果是一致的”,“为节约CPU运行时间，决定采用BCVEGPY

18、来模拟产生Bc介子”附件-13,附件-33，经过这些多项对比及检验的结论促进了BCVEGPY被广泛接受并采用。3. LHC上的LHCb组近年来完成了对Bc介子性质的多项观测。他们均将该项目的成果作为基础文献引用，并以BCVEGPY程序为基础完成多项重要实验发现并多次表明“采用专用程序BCVEGPY模拟产生Bc介子”，“BCVEGPY模拟结果很好的描述了观测结果”附件-34,35,36。4. LHC上的LHCb实验组基于项目组的成果和GENXICC程序，2010年开始了寻找双重味重子 cc+的研究附件 -37，终于在2017年实验上首次发现了 cc+。LHCb在 发现的论文中引用了项目组的论文，

19、并在正文中进行致谢附件-14,38。 科学发现点-4(代表性论文-2,8)解决了束缚态质谱和衰变常数等的计算和处理衰变中相对论大反冲的理论问题，有时被称为相对论性夸克模型：该项目估算出Bc介子的寿命与当前实验平均值在误差范围内一致。该项目提出的解决Bc介子衰变时相对论性大反冲效应的方案得到国际高能物理领域的充分认可，作为重要解决问题的方案多次被引用，所得到的结果也被认真地与其它各种方案的结果进行系统比较附件-15,16,28,29。代表性论文专著目录序号论文专著名称/刊名/ 作者影响因子(2017)年卷页码发表时间年月日通讯作者第一作者国内作者SCI他引次数他引总次数是否国内完成1Produc

20、tion of Bc or (Bc)over-bar mesons associated with two heavy-quark jets in Z0 decay & Erratum /Phys.Rev.D/ Chao-Hsi Chang(张肇西)，Yu-Qi Chen(陈裕启)4.5571992年46卷3845页1992年11月1日张肇西张肇西张肇西，陈裕启105 105 是2Decays of the Bc meson /Phys.Rev.D/ Chao-Hsi Chang(张肇西),Yu-Qi Chen(陈裕启)4.5571994年49卷3399页1994年4月1日张肇西张肇西张肇西，

21、陈裕启149 152 是3The Bc and (B)Bar(c) Mesons Accessible to Experiments by Z0 Boson Decay /Phys. Lett.B/ Chao-Hsi Chang(张肇西)，Yu-Qi Chen(陈裕启)4.8071992年 284卷 127页1992年1月15日张肇西张肇西张肇西，陈裕启77 77 是4Hadronic production of the Bc meson at TeV energies /Phys.Rev.D/ Chao-Hsi Chang(张肇西)，Yu-Qi Chen(陈裕启)4.5571993年48卷4

22、086页1993年11月1日张肇西张肇西张肇西，陈裕启67 67 是Perturbative QCD predictions for the fragmentation functions of the P-wave mesons with two heavy quarks & Erratum /Phys.ReV.D/ Yu-Qi Chen(陈裕启)4.5571994 年 48 卷 5181 页1994年月 日陈裕启陈裕启陈裕启48 48 是6Estimate of the hadronic production of the doubly charmed baryon cc in the g

23、eneral-mass variable- flavornumber scheme/Phys.Rev.D/Chao-Hsi Chang(张肇西), Cong-Feng Qiao（乔从丰）, Jian-Xiong Wang（王建雄）, Xing-Gang Wu（吴兴刚）4.5572006年 73卷094022页1995年12月14日张肇西张肇西张肇西，乔从丰，王建雄，吴兴刚14 14 是7BCVEGPY2.0: An upgraded version of the generator BCVEGPY with the addition of hadroproduction of the P-wa

24、ve Bc states /Comput.Phys.Commun./ Chao-Hsi Chang(张肇西)，Jian-Xiong Wang(王建雄)，Xing-Gang Wu(吴兴刚)3.9362006年174卷241页2006年2月1日张肇西张肇西张肇西，王建雄，吴兴刚21 21 是8Decay constants of heavy vector mesons in relativistic Bethe-Salpeter method /Phys.Lett.B/ Guo-Li Wang (王国利)4.8072006年633卷492页2006年2月16日王国利王国利王国利 38 38 是合

25、计 519 522主要完成人情况1.姓名：张肇西技术职称：研究员；中国科学院院士完成单位：中国科学院理论物理研究所；工作单位：中国科学院理论物理研究所个人排名：1曾获国家奖情况：无对本项目主要贡献： 提出研究的问题、主持并参与了 Bc 介子物理及双重味重子产生的研究（理论） 这一项目的主体研究工作，负责项目（大部分）论文的撰写，把关、定稿，回答审稿人的问题，代表项目组做学术报告等 。2.姓名：陈裕启技术职称：研究员；中国科学院百人计划完成单位：中国科学院理论物理研究所；工作单位：中国科学院理论物理研究所个人排名：2曾获国家奖情况：无对本项目主要贡献： 参加了在正负电子对撞机和强子对撞机上产生

26、Bc 介子的研究，在微扰 QCD 框架内计算了 Bc 介子产生截面，在双重味介子碎裂函数微扰计算和 Bc 介子基态及 P-波态碎裂函数的推导及计算方面做出了贡献；采用协变的非相对论瞬时近似模型，参加了 Bc 介子寿命的估计和弱衰变的研究，计算出了 Bc 通过弱衰变到众多衰变道的分宽度等 。 3.姓名：吴兴刚技术职称：教授；教育部新世纪优秀人才，国家杰出青年基金获得者完成单位：重庆大学；工作单位：重庆大学个人排名：3曾获国家奖情况：无对本项目主要贡献： 完成了 Bc 介子及双重味重子在强子对撞机上产生机制的系统研究 ,包括 QCD 计算中对处理重味质量效应的改进，完整的理论不确定性的分析等方面做

27、出了贡献；另外，基于螺旋度振幅方法完成了 Bc 介子及双重味重子强产生机制的解析公式推导，进一步采用多种技巧，使蒙特卡洛产生子程序BCVEGPY 及 GENXICC 高效、实用，并根据理论家和实验家的需要及时对产生子进行升级等 。4.姓名：王国利技术职称：教授完成单位：哈尔滨工业大学；工作单位：哈尔滨工业大学个人排名：4曾获国家奖情况：无对本项目主要贡献： 在发展基于瞬时贝特 -萨皮特方程计算 Bc 介子衰变的理论公式方面做出了贡献；系统求解了各个种类介子所满足的瞬时萨皮特方程，得到了相应的相对论波函数及衰变常数和质量谱等，满足了 Bc 介子产生和衰变计算的需要；参加了 Bc 介子弱衰变的系统

28、研究，采用协变的相对论瞬时近似模型计算了 Bc 介子衰变到粲偶素基态和激发态各衰变道的分宽度等 。5.姓名：王建雄技术职称：研究员完成单位：中国科学院高能物理研究所；工作单位：中国科学院高能物理研究所个人排名：5曾获国家奖情况：无对本项目主要贡献： 利用了多年来开发出的自动化计算系统 FDC 的优势，实现了强产生 Bc 介子及高激发态和双重味重子等的自动化计算：在自动化计算系统FDC 中实现了双重味介子、双重味重子的 S-波， P-波态的完全自动化计算，并用于本项目的研究，提高了项目公式推导和数值计算的效率，并应用到产生子程序 BCVEGPY 及 GENXICC 中。完成人合作关系说明：第一完

29、成人张肇西研究员 1989 年启动项目Bc 介子物理及双重味重子产生的研究（理论） 的研究，对项目全面负责，对该项目的所有科学发现点上都做出了开创性的贡献。设计了本项目的研究内容，负责发掘项目所取得成果的科学意义等；为项目成果扩大影响应和推动相关实验研究的开展，邀代表本项目组出席国际学术会议并报告成果等。本人参加了项目组的绝大部分论文的撰写。是代表性论-1,2,3,4,6.7 的通讯作者。第二完成人陈裕启研究员 1991 年加入项目的研究，对本项目的科学发现点-1,2 上做出了开创性贡献，在科学发现点-4 上做出了重要贡献。陈裕启研究员已多年成为本项目的研究骨干，是代表性论文-1,2,3,4

30、的主要作者，代表性论文-5 的作者和通讯作者。第三完成人吴兴刚教授 2000 年加入项目的研究，对本项目的科学发现点-1 上做出了重要贡献，在科学发现点-3 上做出了开创性的贡献，特别是在创新性地完成高效模拟 Bc 介子产生的 BCVEGPY 程序和模拟产生双重味重子程序 GENXICC及其的升级上的贡献突出。吴兴刚教授已多年成为本项目的研究骨干，是代表性论文-6,7 的主要作者。第四完成人王国利教授 1996 年加入项目的研究，对本项目的科学发现点-2 上做出了重要贡献，在科学发现点-4 上做出了开创性的贡献，发现了衰变到双重味的激发态粒子的相对论修正远大于到相应的基态粒子等。王国利教授已多年成为本项目的研究骨干，是代表性论文-8 的作者和通讯作者。第五完成人王建雄研究员 2002 年加入项目的研究，对本项目的科学发现点-1，3 上做出重要了贡献，特别是将开发出的计算机微扰场论自动化计算系统FDC 开创性地应用于该项目的研究，在为 BCVEGPY 程序的升级和 GENXICC 程序的撰写上贡献突出。王建雄研究员已多年成为本项目的研究骨干，是代表性论文-6,7 的主要作者。承诺：本人作为项目第一完成人，对本项目完成人合作关系及上述内容的真实性负责，特此声明。第一完成人签名： 张肇西