强相互作用的基本理论是量子色动力学(QCD)。QCD作为强相互作用的规范理论，在近几十年有了巨大发展。然而，它依旧是一个正在发展之中的理论。该理论建立在二十世纪七十年代，在发现了渐进自由后，被广泛接受。与此同时，该理论作为非阿贝尔理论，不能够被完全求解。在QCD耦合常数很小的时候，可以使用微扰展开，但这种方法只在高能区适用。在低能区，QCD性质会以束缚态展现。此时的耦合常数达到了核子质量的量级，人们不得不去发展非微扰的方法去处理强相互作用。这些方法包括了组分夸克模型、有效场论（这其中又包括了手征微扰论和重夸克的有效场论）、大Nc极限下的非相对论QCD和在离散空间数值求解的格点QCD。　　由于完全求解非微扰QCD的困难，很多唯象的方法被发展出来以解释众多强子物理的实验数据并更好地探讨和理解涉及重夸克的动力学机制。淬火夸克模型即为这些唯象模型中的一种，它曾在解释强子谱上获得很大的成功，能很好地解释在含重夸克的强子在强衰变阈值以下的质量谱。但是在阈值附近及阈值以上，其预言与实验测量相差很多。　　为了更好地了解不同能区的非微扰QCD，研究重夸克偶素是个很好的途径。其中重夸克偶素谱可用非相对论动力学形式。从1974年发现J/Ψ这一被称为“粒子物理的十一月革命”的事件以来，对重味强子谱的研究热度持续了四十多年。在这期间，人们发展出了用夸克模型研究重强子谱的方法。例如康奈尔势模型，它含有一个非自旋依赖的色库仑势，加上一个线性的标量禁闭势，在描述璨夸克偶素方面取得了很大的成功。康奈尔模型中的非自旋依赖的势能项能很好地近似处理具有重夸克自旋对称性的Q(Q)体系。Godfrey-Isgur(GI)模型是一个被广泛使用的相对论势模型。该模型被认为是目前为止，描述重夸克偶素的最好选择。　　一般地，在组分夸克模型的框架内，Q(Q)的相互作用势只能在淬火极限中应用，这个极限排除了轻的正负夸克对的非微扰贡献。重夸克偶素态可以通过产生一个轻夸克对和中间重介子相耦合。到目前为止，这个夸克对产生的深层机制还没有被很清楚地被理解，但一个被广泛使用的方法是用胶子束管来连接重的正反夸克对。　　淬火夸克模型中忽略了海夸克的贡献，从而导致了其与实验测量的偏差，这也意味着此模型需要考虑来自海夸克的量子涨落带来的圈图效应，也就是所谓的耦合道效应的修正。非淬火夸克模型将正反海夸克对产生的效应包含进来，是对夸克模型的推广。这一方法可以更好地解释阈值以上的重味强子的质量谱和强衰变。因此，非淬火夸克模型提供了解决淬火夸克模型中所碰到的问题的一种可能方案。本论文的首要目的即是利用非淬火夸克模型来描述重味夸克偶素的质量谱，并将其与实验数据进行比较。我们对非淬火夸克模型的贡献是首次考虑了激发态介子带来的圈图效应，并由此得到了很有意思的结果。例如，对于类粲夸克偶素X(4260)，如果我们假设其短程的粲夸克偶素核为3D1而并非3S1，那么它就既可通过S波也可通过D波耦合道D1(D)。在这种意义上，我们的研究支持将X(4260)作为D1(D)分子态的解释。此外，我们还预言了它的自旋伙伴粒子，并将其解释为X(4360)。　　CLEO，Belle，BABAR，CDF,D0，LHC在CERN和BESⅢ等众多实验装置使我们有了重夸克对方面的大量实验数据。这些数据让我们有机会去探索强作用在重味夸克对方面所表现出的性质。目前，BESⅢ正在c(c)的能量范围内收集数据，它的质心系能量最高可以达到4.6GeV。这个能量已经接近ψ(5S)和ψ(4D)的质量，所以它也提供了一个研究更高的粲夸克偶素产生和衰变的平台。(P)ANDA也计划在未来收集e+e-对撞机无法直接产生的c(c)能量范围内的数据。这些实验装置无疑将深化我们对重夸克偶素物理和非微扰强相互作用的理解。　　在重夸克偶素中，强子跃迁在探测轻夸克和重自由度耦合结构中有着启发性的意义。在最近几年的研究中，强子跃迁带来了重大的发现，这些发现确定了一些新的传统意义上的重夸克偶素和被称作“XYZ”的奇异态。在QCD中，多极展开(ME)是描述强子跃迁的普遍形式。多极展开假设在中间过程中胶子的释放导致了跃迁，而且这些胶子被认为是波长远大于重夸克偶素系统的软胶子。这样的软胶子假设导致了QCD多极展开的框架只能描述低能的夸克偶素。　　为了能描述更高能的Q(Q)系统的跃迁，我们需要为理论模型构建一个新的势场，这个势场应该能预测高动量区域的跃迁，并且能够通过隐藏味道的衰变确认一些消失的高能态。我们可以用理论的角度去分析在强子跃迁中发现的许多奇异XYZ介子以完成我们的工作。　　本论文的第二个目的是理解激发态重夸克偶素通过放出一个轻强子衰变到较低的重夸克偶素的跃迁过程的物理机制。我们基于Nambu-Jona-Lasinio(NJL)模型发展出了一个在重夸克偶素跃迁过程中产生轻介子的有效模型。基于该模型，我们研究了量子数为JPC=1--的激发态粲夸克偶素放出一个η介子的跃迁过程。该研究显示此模型具有描述实验观测到的衰变宽度并预言尚未观测到的衰变道的潜力。我们预言了一些强跃迁过程的衰变宽度，这些预言可能会对在将来的实验上寻找质量更高的粲夸克偶素并定出它们的性质有所助益。此外，我们对其它一些类粲夸克偶素的奇特态的量子数给出了建议.　　除了传统强子外，人们在实验中也观测到了一个丰富的QCD奇特态谱，即XYZ强子。随着X(3278)作为奇特态家族的第一个成员被发现，人们陆续观测到了奇特态家族的其他带电候选者。这些态，包括Zb(10610)和Zb(10650)，Zc(3900)，以及Zc(4025)，都具有相似的特征并且必须是由四个价夸克组成的，因为它们是重夸克偶素质量能区中的同位旋矢量态。类似于X(3872)，由于这些态的特殊的性质，它们并不能非常完美地符合纯夸克偶素的描述。人们进行了大量的理论工作来试图描述这些状态，如强子分子态，重夸克偶素-轻强子束缚系统(hadro-quarkonia)，三角奇异性，阈值效应以及紧致四夸克等。　　全重四夸克，如bb(bb)和粲体系类似的cc(cc)，是相当重要的，因为它们不含有轻夸克自由度，并且可能可以作为一个简单的探索方法来研究微扰QCD和非微扰QCD这两个方面之间的相互作用。由于实验方面的缺乏，在这一领域中的理论研究甚为少有，而自然界是否允许全重四夸克的束缚态仍然是一个悬而未决的问题。　　最后，本论文中还研究了由四个重夸克组成的四夸克态。我们利用两种方法计算了四个底夸克组成的bb(bb)四夸克态的基态质量。第一种方法使用非相对论有效理论，在领头阶其相互作用势由单胶子交换的库仑势给出;第二种方法使用同时考虑了单胶子交换和禁闭势的相对论化的双夸克模型。我们的分析支持由单一味道的重夸克组成的四夸克态的存在，并预言了bb(bb)四夸克态的基态质量为(18.72±0.02)GeV。此外，我们构造了基态QQ(QQ)（其中Q∈{c,b}代表重夸克）四夸克态质量和相应的重夸克偶素质量满足的一系列不等式，给出了QQ(QQ)的质量上限。我们还讨论了基态bb(bb)可能的衰变道，并估计其总衰变宽度大约为数十MeV。