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

2、子和双重味重子的机制；利用 QCD 理论可信地计算出了它们的产生截面，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

3、和重 子的衰变。 项目组上述的创新成果是对强子物理， QCD 和电 -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

4、 、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

5、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 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

6、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

7、；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 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 CD

8、F 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 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

9、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 QC

10、D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

11、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 GENXICC。 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

12、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 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

13、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

14、,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 Eichten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

15、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Kramer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,

16、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

17、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。

18、 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来模拟产生 Bc介子 ” 附件 -13,附件 -33，经过这些多项对比及检

19、 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，并在正文中 进

20、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 SC

21、I他引次数 他引 总次数 是否国内完成 1 Production 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 ) 4.557 1992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 2 Decays of the Bc meson /Phys.Rev.D/ Chao-Hsi Chang(张肇西 ),Yu-Qi C

22、hen(陈裕启 ) 4.557 1994年 49卷 3399页 1994年 4月 1日 张肇西 张肇西 张肇西，陈裕启 149 152 是 3 The 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 ) 4.807 1992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 4 Hadronic production of the Bc meson at Te

23、V energies /Phys.Rev.D/ Chao-Hsi Chang(张肇西 )， Yu-Qi Chen(陈裕启 ) 4.557 1993年 48卷 4086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 ) 4.557 1994 年 48 卷 5181 页 1994年月 日

24、陈裕启 陈裕启 陈 裕 启 48 48 是 6 Estimate of the hadronic production of the doubly charmed baryon cc in the general-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） 4.557 2006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

25、兴刚 14 14 是 7 BCVEGPY2.0: An upgraded version of the generator BCVEGPY with the addition of hadroproduction of the P-wave Bc states /Comput.Phys.Commun./ Chao-Hsi Chang(张肇西 )， Jian-Xiong Wang(王建雄 )， Xing-Gang Wu(吴兴刚 ) 3.936 2006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 8 Decay constants of h

26、eavy vector mesons in relativistic Bethe-Salpeter method /Phys.Lett.B/ Guo-Li Wang (王 国 利 ) 4.807 2006年633卷 492页 2006年 2月 16日 王国利 王国利 王 国利 38 38 是 合 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）

27、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 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 B

28、c 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

29、 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 研究，采用协变的相对论瞬时近似模型 计算了 Bc 介子衰

30、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：

31、第一完成人张肇西 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

32、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 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

33、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