（理论物理专业论文）γγ对撞机上中性toppion介子产生过程γγ→∏t0的研究.pdf

摘要 标准模型是过去四十年来粒子物理最为成功和成熟的理论，对撞机上三十年来的实验 数据使它获得了强有力的支持，可是标准模型仍存在一些问题，使得人们不得不猜测在标 准模型之外存在着新物理。为此，人们提出超对称模型和人工色理论等新物理模型，以解 决标准模型的难题。t 0 p c o l o r a s s i s t e dt e c l l n i c o l o r ( t c 2 ) 模型是一种较为理想的t c 模型， 它给出了电弱破缺的动力学机制，并解释了重顶夸克质量问题。该模型的一典型特征是预 言了赝哥尔斯通粒子t o p p i o n s 介子的存在，这些粒子的发现将为t c 2 模型的存在提供直 接的实验依据。 计划中的i l c 具有高能量、高亮度的特点，并且它还可实现光子对撞。几c 的一个重 要目标就是寻找h i g g s 粒子和标准模型之外的新物理。对t c 2 模型开展唯象研究，研究特 征粒子t o p p i o n s 的产生机制可为i l c 实验寻找t o p p i o n s 提供有价值的理论指导。本文正 是在l l c 上研究了通过光子一光子对撞产生单个中性t o p _ p i o n 的过程斗n ? 。 在第二章，我们介绍了标准模型的精确检验并对超对称模型和t c 模型进行了综述， 重点介绍了一种目前较为关注的t c 模型：t c 2 模型。第三章我们介绍了直线对撞机以及 直线对撞机上的物理。第四章是我们的工作部分。 在工作部分，我们研究了i l c 上通过光子一光子对撞产生单个中性t o p p i o n 的过程 斗n ? ，计算了斗n ? 这个过程的产生截面，并且讨论了在i l c 上通过n ? 的各种衰变 道探测中性t o p p i o n 的可能性。我们的研究结果显示，在直线对撞机所有中性t o p - p i o n 的产生过程中，斗n ? 的产生截面最大，其产生截面可以达到1 0 1 1 0 2 f b 量级。由于树 图味改变耦合n ? 把的存在，斗? j f c 这一产生道背景比较干净，可以产生足够多的 清晰信号来鉴别中性t o p p i o n 。因此，斗? 过程在寻找中性t o p p i o n 介子和检验t c 2 模型正确性方面将发挥重要作用。 关键词：标准模型、t c 2 模型、中性t o p p i o n 介子、直线对撞机 第一章前言 第一章前言 粒子物理中的标准模型( s m ) ，即结合了s u 2 ) ，u 1 ) ，规范对称性的弱电统一模型 【l ，2 ，3 】秘s v 3 ) c 纛葱对箨髅瓣量子色动力学q e d 阀，或为理霞粒子兹理审最为或熬耪 成功的理论。二十世纪九十年代以来，一系列高能物理实验( 其中一些实验达到几酉个 ( 涛v ) 都没有发现疆驻褊离标准模蝥预言豹臻采。虽然如此，物理学家认为标准模墅并不 是一个终极理论。因为电弱精确测量的个别物理量的实验测量信和理论预言傻还有很大的 偏差，比如：前后不对称参数“。( 6 ) 与标准模型预言值存在2 4 盯的偏差。另外，标准模 型基赛毒一些无法解决的闫题彝不完美的邈方【5 ，6 】，主要表瑷在鞋下足处： 1 ) 等级差问题。 2 ) 电弱对称性破缺的机制仍然不是十分清楚；h i g g s 玻色子仍未观测到，且它是 基本粒子还楚男寒终徐蓬兹仍不凑楚。 3 ) 对c p 破坏的问题理解仍不透彻，包括强桐互作用中的c p 破坏效应，即所谓 豹强c p | 、曩题。 4 ) 代混合和味道混合是任意的。 5 ) 蕊霪的超源不疆了。 6 ) 无法解释b a r y o n 燕子的反对称性的起源，即，宇贫为什么会有反物质。 7 ) 无法解释暗物质的存在。 8 ) 未将弓l 力鸵量子理论包括进来。 9 ) 只有少量蟋实的证据支持中微子魑无质量的，而s m 中只有一个左手的无质量 懿中徽予，联涎g s 二纛态不戆提供中锾子鳇溪量。 必了惩决标准模型鲍疑港，太们提出了些超出标准模型懿理论，它键罄或多或少戆 解决了上述问题中的几个，通常有两种方式柬扩展标准模型来解决上述问题。 a 引入超对称 在超对称理论 7 】中，保留了h i g g s 基本标量场而避免了不自然性问题。这是因为在 此理论中，用王 逛g s 粒子对应的超对称伙伴蛉煲献寒漕除标爨场自能黥二次发数，从霭克 服了规范等级问题。邈样，在理论中就需要引入每个已知粒子的超对称伙伴。该理论中的 电弱对称蛙酸缺是由弱糕合黪 壬i g g s 部分产生豹。 第一章藏离 b 在电弱理论中完全摒弃h i 8 9 s 场部分 一耱钡斌勰决不是然瞧靼平麟瞧斑嚣鳇途锾跫不零l 入基本黪辩i g g s 辣溪场，藤氆助予 某种费米予的真空凝聚( ￥缈) o 来破坏s u ( 2 ) 。o u ( 1 ) ，的规范对称性，这称之为动力学对 称牲破缺。融h 蝣c o l o r ( t e ) 理论【8 】就是典型的铡子，在此理论中，引入一种类q c d 的新 静强稳甄传鬻力c ，毫弱对称洼穰缺藏是由这释替微挠静强作麓罨 起，英基本链量称痍 为a 1 t “。在a 慰l t e v 标度，t c 力将s u ( 2 kx u ( 1 k 对称性破缺到u ( 1 ) 。，实现动力 学破缺电弱规范对称健。麟g g s 粒子的作用由一套新的费米予凝聚米代替，从磷解决了基本 标量场联论中豹不自然性和平痛憔阅题。 t e 联谂【8 】是酲嚣研究魄弱对称佳盘发酸缺的个魄较流行鹣理论。袋筒攀的亿理论 怒模薅薜玲瑟建立兹，它鼓棼豢篱麓懿方戴霞戆菠渡惫子器、z 获簿瓣萋，并慕避免了 l i g g s 玻色子所带来的平庸性和不自然性问题。但是，此理论不能提供普通费米予质擞。为了健 柩准模黧中静酱遥费米子获得质蠢，人锯又弓i 入了e x t e n d e dt e c h n i l o r ( e t e ) 【9 。眦 溪论把零c 费张予巍普通费浓予兹套筵大熬蕊范释( e 害e 撬范群) 熊弱一表示中，帮宽静规 瓶群s u ( 弼) 耀入一个更大的群s u ( + m ) 中，在标度a 处( a 。 a ) ， s u 虻+ 膨) 破缺为蕊，( 粥) 。s u 舯+ 船) 豹基础表示m 。+ 硝破缺为* 和m 个t e 单 恣，其中m 为s u ( k ) 的蒸础表示。犯和辅个t c 单态分剐代袭t c 费米予颓酱通费米 予。破缺生成元联系麓营邋费米予秘t c 赞米子。褒爨论中，费浓予逶过毅爨拳麴互终建 等秘矿获褥震量。霹鼗寒子提蹑终援寒叁e 羊c 麓蕊玻鱼子交抉，淫费泶予稳亘簿鬟不 f 、 仅使费米予获得质量，丽且可消除我们不希望的蠢质掇的哥尔疑遗粒子。鼹然e t e 所产生 的蹈费米予张互作用产生了普通费洙予的质量，e t e 所产生懿遇费米予植鬣传用7 厂7 厂甥 带来了昧政变中性流( f c n c ) 问题，实验要求，厂的系数应小于1 0 一。g e v ，这就要求e t c 麴蠢度a 。群 1 0 6g e v ，觚褥使褥赞洙予冤法获褥足够大豹覆爨，遮藏是爨谡鹣辣改交中 瞧滚( f c 愆) 翘题。恐了瓣决f 铡e 运爨，久镪又零l 入了w a l k i 鞭gt e g 趣i e o l o r ( 嚣嚣) 1 国 机制，后涞人们提出种多标度t c 模型( m t c ) 1 1 ，通过多标度来实现w a l k i n g 机制。 大家知邋，顶夸克的殿最为1 7 4g e v 1 2 】，为解释熏懿顶夸壳鼷最问题，糟9 s 年，鞋i n 等人又提战了一种t o p c 0 1 0 r a s s i s t e dt e c h n j c 0 1 0 r 模型，简称t c 2 模黧 1 3 。t c 2 模型是较为 2 第一章蔫言 理想的动力学破缺理论，它在解释了黧的顶夸克质缀问题的同时给出了合理的电弱动力学 穰缺瓿铡，莠显该模型懿理论颈言与嚣蔫酶实验蠢明显不餐。经遥多年熬磅究，囊：模型本 身在不断完善。另一方两，人们在此横型的睢象研究方面也做了大量工作，以便为实验橙 验t c 2 模型撮供理论上的指导。t c 2 模测预言了三个赝哥尔斯通粮予t o p p i o n s ( n ，n ? ) 熬存在 1 3 】。这些藜粒予戆存在一方嚣会对一些霹筑灞量产生一定兹瑾效应，菇一方瑟这 些新粒子威该能直接被实验观测到。：r c 2 模型对一赡过程( 衰变宽度、产生截面) 贡献的 研究和新粒子产生机制的研究是唯象研究的两个重要方面，其中，研究t c 2 模烈的新粒子 产生瓠割可戳舞该搂登熬猃验提鬃鬟羧涯据。 大型强子对撞机l h c 将在2 0 0 7 年运行，高能爨、高亮度的正负电子直线对撞机i l c 也正在筹建，它髓的运行垮鸯理论磷究者提供大量瓣实验瑷象避行磅究，也麓麟物理模型 的检验提供了良机。正受电子对撞机具有背景干净、能量高、亮度高且对撞舷最可调的特 点，并且激光技术的应用使得电子一光子对撞和光子一光子的对撞成为可能。因此，正负 电子直线对攘祝将在耨羧予戆寻找、物理残测量豹精确溅量、模婆! 耩合牲矮戮究等方嚣发 挥着重要作用。 要在未涞的i l c 实验上寻找t c 2 模型的特征糙予，我们必须首先从理论上研究它们 静产生枫翻苏及热褥遗过来态信号潮嬲这：些跨征穗予，这是本论文的主要舀标之一。本文 在光子对撞机上，研究了一中性t o p p i o n 介子的产生过程呻n ? ，讨论了i l c 上通过 其各衰变道探澳l 中性t o p p i 分子蛇可能性，以魏斑实验寻找中性t o p - p i o n 分子提供理 论指导。 本文下丽的结构为：第二章，针对标准模型存在的问题，在简要介绍了标准模型的糟 确捡验瑟，奔绥了一些凝物理模鍪，识摆超对称攒黧秘一些囊力学模鍪，其中详尽豹夯缁 了与我们研究密切相关的t c 2 模型，以便大家更好了解我们围绕t c 2 开展的唯象研究工 作。第三章，介绍了未求的直线对撞桃。第四章，介绍我们的研究工作，即猩i l c 上， 磅究了中浚t o p p i 。n 奔子静产生过獠斗? 。 第二章标准模型的精确检验和新物理 第二章标准模型的精确检验和新物理 2 1 标准模型的精确检验 高能物理实验是检验标准模型的重要手段，高能物理实验已经开展了大量的实验。这 些实验主要来自以下三个实验中心： 1 、欧洲核子中心( c e r n ) 的正负电子回旋对撞机( l e p ) 2 、斯坦福正负电子直线对撞机( s l c ) 3 、费米实验室的强子对撞机( t e v a 仃o n ) 上的大量实验。 在l e p 实验上有四个探测器即a l e p h ，d e l p h i ，l 3 和o p a l 。l e p 实验分为两个 阶段：从1 9 8 9 年1 9 9 5 年为第一阶段，称为l e p i ，质心系能量接近9 l g i v ，相当于中 性矢量玻色子z 的质量，开始产生大量的z 粒子；从1 9 9 6 年2 0 0 0 年为第二阶段，称 为l e p h ，除产生z 粒子外，开始产生w 粒子；现在，l h p n 已停止运行，用来建造大型 强子对撞机l h c 。s l c 只有个探测器s l d ，质心系能量比l e p 低，但采用极化入射束， 亮度较高。 z - p 0 1 e 实验是检验标准模型的重要环节，l e p 和s l a c 、s l d 合作组主要研究 矿p 一斗磊_ 矿过程的一些物理迹象，在z 。的极点处，p + p 斗痧的截面主要被z ：的共 振所决定，截面如圈21 14 所示。从e + e 一_ 护截面图，我们得到： 规范玻色子的质量：鸩= 9 1 1 8 7 6 o 0 0 2 1 0 e v 衰变宽度： 厂z = 2 4 9 5 2 o 0 2 3 g e v ( 2 1 ) ( 2 2 ) 雨且，从图中的谱线中z 玻色子的不可见宽度中可得剑无质量中微子的数目为 p = 2 9 8 3 o 0 0 9 ，这和标准模型中的一个至关重要的性质就是费米子有“代”的结构 且“代“的数目为3 ，刚好相符。 目前的高能实验对些可观测物理量的测量精确度可选到千分之一量级，依据分析 z 。实验测量结果，表2l 给出一些主要的电弱廿j 观测量的实验测量值、标准模型预言值 z 。实验测量结果，表2l 给出一些主要的电弱可观测量的实验测量值、标准模型预言值 第二章拣磴模鍪妁精确硷验帮薪秘理 及与标准模型存在的偏差 1 4 】。袭中第二列的数值为实验测嫩的结果，其误差包括系 统误差亵绞谤误差；第三舞失标准摸整囊砉篷，其误差来源予趱谂诗算翡苓麴定健，最嚣 一列为物避量的实验测擞值与标准模溅预言值之麓与实验误差豹比值。整个实验数据在取 值时，取相关参数肘。，m 。，哎，鸭，搿似。) 为最佳拟和值【1 5 ： 掰一9 8 蠹g e v 鸦= 1 7 5 3 4 4 g e v 口。= o 1 2 0 0 0 0 0 2 8 霹= o 。2 3 1 1 3 o ，o o o l 5 甜岔! 然o 2 7 7 8 o 0 0 2 0 其中一婆渡溺量篷鹣貉理涵义凳， 图2 1 8 + 8 一一痧的截蕊 ( 2 3 ) 第二章标准模型的精确检验和新物理 其中，盯；( 盯j ) 是f 相对与入射p 一的方向向前( 向后) 散射的总截面。 测量左右不对称参数爿厶可以得到彳。 4 厶= 专三； 捌= 一。 这里，仃7 也) 是极化为的电子束产生痧的总截面。 测量左右不对称性互毛可以得到4 ， j 毛。之a r p e ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 从以上总结的实验结果分析来看，绝大多数电弱可观测量的测量值与理论预言值符合 很好。但还有一些有很大的偏差。当然，这些偏差一种可能是由于实验设备的不完善带来 的系统误差，另一种可能是超出标准模型的新物理存在。所以，标准模型可能是其它更为 基本理论的一个低能有效近似理论。 2 2 新物理 由于标准模型存在的一些问题，人们认为它只是在一定能标以下某种更基本的自治理 论( 超出标准模型的新物理) 的有效理论。理论研究表明，电弱对称性破缺机制在t e v 能 区一定能够探测清楚，很可能在此能区发现新物理。目前流行的新物理模型主要有：超对 称理论( 代表性是最小超对称模型) 、动力学破缺理论( 代表性是t c 模型) 以及l i n l eh i g g s 模型等。 2 2 1 超对称模型简介 超对称模型中的最小超对称标准模型由于其优美的形式和丰富的物理内涵，目前被 认为是标准模型最有可能的扩展模型之一【1 7 】。它对于等级性( h i e r a r c h y ) 问题、电弱对 称性破缺的产生、规范耦合常数的统一、宇宙物质反物质不对 释鬟； 嚣矍冀简毓霉雾l 鋈哑l f l 烈蚪魁唑j 击拶璐蓑结溶瞍隧蛳霹；相粥韩鬻副缪掣雾隐尊释 第二章标准模型的精确检验和新物理 通过超对称变换实现了玻色子和费米子的互换转变。 一、最小超对称模型的场 最小超对称模型同样是居于s u ( 3 ) 。o s u ( 2 ) 。圆u ( 1 ) ，的规范理论。标准模型只需要一 个h i g g s 二重态就可以使规范粒子和夸克、轻子获得质量。而最小超对称模型至少需要两 个h i g g s 二重态才使规范粒子和费米予同时获得质量。所以最小超对称标准模型是标准模 型的扩充，最小超对称模型有两类超多重态，一类是手征超多重态，有一个自旋l 2 的态 和两个自旋为o 的态，见表2 2 。另一类是矢量超多重态，有一个自旋1 2 的态和自旋为1 的态组成，见表2 3 。这两个态分别具有的量子数为( 1 、2 、一1 ) 和( 1 、2 、1 ) ，这里v 是中性分量的真空期望值。这样一共有8 = 4 + 4 = 5 + 3 个自由度，在电弱对称性破缺后，三个 自由度被规范掉。与标准模型的一个态相比，还剩下5 个物理态，对应于5 个物理的h i g g s 玻色予，两个c p 为偶的中性h i g g s 玻色子，一个为c p 奇的中性h i g g s 玻色子，两个带电的 h i g g s 玻色子。 最小超对称模型引入的两个h i g g s 二重态： 即 ( 2 1 3 ) 如果超对称性是精确的，那么普通粒子和它的超对称伙伴应该具有相同的质量，同时 应该被观测到。在目前的能量范围内，它们还没有被观测到，可以解释为由于超对称性 的破缺。这就意味着最小超对称标准模型的拉氏量有两部分组成，第一部分是标准模型的 超对称扩充，而第二部分代表超对称破缺。所以最小超对称模型的场是标准模型加上一个 h i g g s 二重态以及他们的超对称伙伴组成。 二、最小超对称模型的拉氏量 拉氏量可以写成： l = l m s y + l b 。，k 。，g 9 ( 2 1 4 ) 警 日日 警 巧 日 第二章标准模型的精确检验和新物理 其中，三。保持超对称不变性，三。指破缺超对称的部分。 表2 2 最小超对称模型中的手征多重态 名称自旋o自旋l 2s u ( 3 ) c ，s u ( 2 ) 。，u ( 1 ) ， ( 3 ，2 ，+ 古) s o u a r k s q ( 玩，吨)( 叱，d l ) ( 3 ，1 ，一) a u a r k s u r “二 ( 3 代) d蒜畦 ( j ，1 ，；) s l e d t o n s ， ( 1 ，2 ，一曲 ( 伊，瓦)( v 吒)上 l e d t o n s e p ； ( 1 ，1 ，1 ) ( 3 代) 吒 h i g g s ， q ( h ；，h i ) o 西：疆；、( 1 ，2 ，一 ) n l g g s l n o s ( 噬，趔)( 霹，霹) ( 1 ，2 ，如 也 表2 3 最小超对称标准模型的超多重态 名称自旋1 2 自旋l s u ( 3 ) 。，s u ( 2 ) 。，u ( 1 ) ， g l u i o n ， 9 1 u o ng g ( 8 ，1 ，0 ) w i n o s ，wb o s o n s符窀 w ：w ： ( 1 ，3 ，o ) b i n o ，b o s o n 爿 吃( 1 ，1 ，o ) 1 0 第二章标准模型的精确检验和新物理 最小超对称模型中的拉氏量主要包括以下几方面内容 超势 最小超对称标准模型中满足超对称的超势可以是以下的内容 阡k 。= s 。【研p 童+ 曹? 垂6 西一 。膏；垂6 d m 疗? 疗； 。 ( 2 1 5 ) 其中g 。是二阶反对称张量。鱼矗：， ，d ，d ，三以及童为超场。超势最终对相互作用拉 氏量的贡献主要通过两种途径：一种是y u k a w a 相互作用，即把( 2 1 5 ) 式中所示的超势的 两个超场换成相应的费米场，而第三个超场用相应的标量场来替代。 巧= 圭器缈，地c i 28 9 i 8 9 。j 。j ( 2 1 6 ) 仍为标量场，y 。为对应的费米场。这部分拉氏量主要描述物质场的质量，h i g g s 和费 米场的y u k a w a 相互作用，以及h i g g s i n o ( h i g g s 粒子的超对称伴随子) 与夸克( 轻子) 和 标量夸克( 标量轻子) 的相互作用。 另一种途径则通过 = 曩只+ ， f ：旦型 d 妒， ( 2 1 7 ) 这一部分则主要描述标量粒子的质量，h i g g s 与标量费米子之间的y u k a w a 相互作用，以及 和y u k a w a 耦合有关标量费米子的白相互作用。 规范场的自相互作用： 上羽呼= 一扣嘏一丢艺，掣”一去嘭，铲” 规范场与的g a u g i n o ( 规范粒子的超对称伴随子) 相互作用为 ( 2 1 8 ) 研 k 辫酬 矿鲫扩k k k 第二章椽准模鍪弱精确疆验稻薪锄莲 髓笼扩罾警： 其中，磊为群翳结校鬻数。 。援藏超多重态与麴矮越多重态豹是樱互露翅矮 一g 譬鬈妩瓦 f ，i 两8 一哆l i 9 0 打；协i ；，i 喊一夏。妒i 妒、 9 2 嬉8 t 。、l 矿：y 渖识p | 。与燕范对称健裙关的标量鞍子的鸯稽互作用 y 。= 姜驴矽 其中，d 8 = 9 4 西巧野q = l ，2 ，3 ) 。 软破缺项 ( 2 。l ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 精确的超对称避论要求超多熏态的玻傻子和费米予质艟简并。然而在现实世界中，我 们没有发现满足相反统计憾矮戆粒子存在，嚣面在舆实物理世界娶，超对称性必然蹩破缺 的。超对称的破缺方式主礤有两种，一种越拉氏量从形式上依旧满足超对称性，佩真空本 赛不其奏越麓器蛙，麸孬芬致趣薅称玻缺，这耪玻袋方式为囊发破缺；另一耱是在控氏量 中人为地加入明显破坏超对称的项。虽然后一种方案的任意性较大，但由于自发破缺机制 往往魄较鼹于产生大家麓鼹受懿粒子谱，掰弦大家范较谈瓣后一释方案，可潋逶过些要 求减少任静性。 在超对称理论中，所有粒子都有它相对应的超对称伙伴粒子。玻色子的超对称伙伴是 费采予，爱之，费涞予的跫敬色子。超对称粒子与藩来的粒子有完全稽露斡内禀量予羧( 颜 色、电荷、重子数、轻子数) 。这样费米场与其相对应的玻色场对碡的多圈图贡献 也臌类似地彼此相消，不会导致标准模型的h i g g s 质量修正的平方发散问题。 超对称理论最澄著的特点是只附加了一个的关于费米予和玻德予之间的对称髋假定， 就9 2 理论上解决标准模型中的许多蘧大问题。它对于等级问题、援范楣互髂用的统、电 第二章标准模型的精确检验和新物理 嵋：f ，l ，乳 j 咖k 上一守 ( 2 2 2 ) 其中，第一个数指s u ( 。) 量子数，第二个数指s u ( 2 k 量子数，第三个数指各种t c 夸克的超荷值。t c 费米子在t c 手征对称性破缺标度以上是无质量的，具有较好的 s u ( 2 k 西s u ( 2 k 整体对称性。在t c 破缺标度( a 。l r l w ) 处相互作用变强，t c 费米子 发生凝聚 c 丽)= f z - d )o ( 即真空期望值不为o ) ，( 2 2 3 ) 、， 使得整体对称性发生动力学破缺 s u ( 2 ) l 固s u ( 2 ) 月固u ( 1 ) r s u ( 2 ) + r 固【，( 1 ) r( 2 _ 2 4 ) 按照哥尔斯通定理，此破缺过程产生了三个无质量自旋为o 的哥尔斯通玻色子。由于 左手t c 费米子，右手t c 费米子具有不同的电弱量子数，手征对称性的破缺使电弱规范 对称性破缺到电磁u ( 1 ) 。对称性，三个哥尔斯通玻色子w 、z 被“吃掉”，从而使规范玻 色子w 、z 获得质量。 尽管最简单的人工色理论以非常简明的方式使w 、z 获得质量，并且避免了h i g g s 机制 所带来的问题，但是它不能提供普通费米子质量。为了使标准模型中的普通费米子获得质 量，人们又引入了e x t e n d e dt e c h n i c o l o r ，即e t c 理论 9 。此模型把t c 费米子和普通费米 子放在更大的规范群( e t c 规范群) 的同一表示中，即把t c 的规范群s u ( 。) 置入一个更大 的群s u ( 。+ m ) 中，在标度a 。处( a 。 a 。) ，s u ( 。+ m ) 破缺为s u ( ) 。 s u ( 庀+ m ) 的基础表示”+ m 可破缺为m 和m 个t c 单态，其中m 为s u ( ) 的基 础表示。m 和m 个t c 单态分别代表t c 费米子和普通费米子。破缺生成元联系着普通费米 子和t c 费米子。在t c 理论中，费米子通过四费米相互作用睾堕f 防获得质量。四费米子 n m 相互作用来自e t c 规范玻色子交换，四费米子相互作用不仅使费米子获得质量，而且可消 除我们不希望的无质量的哥尔斯通粒子。虽然e t c 所产生的四费米子相互作用产生了普通 费米子的质量，但e t c 所产生的四费米子相互作用，厂却带来了味改变中性流( f c n c ) 问 1 4 第二章标准模型的精确检验和新物理 题。即：实验毅求_ ，刀的系数应小于1 0 。9g e v ，这就要求e t c 的标度a 。 1 0 6g e v 。为 了符合赛验上豹要求，费寒子藏无法获褥与实验帮籍黪覆量。 为了使赞米子获得与实验相符的质量，我们必须想办法提高( 矿) 的值，为此人们引 入了w a l k i n gt e c h n i c o l o r ”( w t e ) 理论 1 2 。该理论的出发点在于t c 费米子凝聚值( 回 得到大魂量静提裹，瑟谈赖予小动量戆淫款蹊拣：瑟尔囊运玻色子( 憨熟) 瓣衰交镌鼗霹帮基 本保持不变。遮一点怒至关重疆的，因为夸克，轻子和p g b s 的质量均依赖于凝聚值( ，霸， 雨傩、z 的质量依赖于b ，这样通过凝聚值的增加进而提高了费米子的质量，衙不会增大规 范玻色子的质爨。费米予敕威最可表示为： 叩譬噜印， 弦z s ， ，为反常量纲，对于“w a l k i n g ”情况，反常量纲，= l ，费米予质量为： m ，兰兰坠( 2 2 6 ) 。 a e 雨对予“r u n n i n g ”情况，y = o ，费米予质量为： 驴鲁 泣2 7 ) 露鞋罄爨，雩| 入“张l 蠡i n g ”撬懿使爨米予葳爨稽大为覆来豹堕，帮可霞赞米子爱蘧提 n 离到几个g e v 。同样p g 8 s 粒予的质量 兰去( g 虿) ( 厦) ( 等尸 ( 2 2 8 ) 也可以通过“w a l k i n g ”机制提高。后来l a n e 等人提出了m u l t i s c a l ew a l k i n gt e c h n i c o l o r ( 瓣罩c ) 理论 1 l 】，逶_ 遘手征对称毪瑟多步疆浚来实嚣张l k i n g 捉裁。 1 9 9 5 年，c d f 和j d 力实验组发现了标准理论预言的顶夸克，顶夸克的质量 鸦= 1 7 4 1 3 3 2 4 + o g e v 1 2 ，接近予魄弱对称破缺标度v = 2 4 6 g e v 。为了解释熏的琰夺克 质量闯题，1 9 9 5 年，t h i l l 等人提出了一种t o p c o l o r a s s i s t e dt e c h n i e o l o r ( t e 2 ) 理论 1 3 ，t c 2 模型把t c 相互作用和t 叩c 0 1 0 r 相互作用结台起来，包含了t c 理论和顶夸克凝聚 模型嚣粒理论鲍优点，在一定程度上爽鼹了嚣耱理论的缺点。它是譬蕊人疑爨感兴趣豹也 是被研究的最多的一种t c 理论，下一节我们对该模型作详细的介绍。 第二章标准模型的精确检验和新物理 强，= 一t a n 2 限胪。+ 吉驴”詈v ”；耵k 一丢。，“q 。一圭瓦y 9 吒一瓦y “r 。) ， ( 2 4 0 ) j 嚣一舶p 争矿譬a ) 。 其中五为s u ( 3 ) g e l l m a 皿矩阵。 我们将路径积分中的丑，z 积出，就可得到四费米相互作用低能有效拉氏量 1 3 】 一筹西，争西，和 一鲁 ；吼叫。+ 詈弛”詈砜2 。 这里，咒，。= 圭( 1 千儿) 、壬，j = 爵c o t 明石，h = g ? c 。t 臼4 ，r 。上述四费米相互作用对t o p 夸 克有贡献。通过n 踟b u j o n a _ l 船i n i o ( n j l ) 方法，我们可计算出： 丢c 七十寺”，呷一番，n 净， 4 s ， = 丢旷知慨坤一番，n 务 亿4 。， 我们要求埘。o ，= o ，_ j ，h 需要满足下面临界条件 t + 知 。 ( 2 4 5 ) 女一尝b t 。：吾z 。 ( 2 4 6 ) 扯秀b “口i t = 亏“ ( 2 4 6 ) 如果b 不是很小，我们不需要精细调节上式就可满足。在t c 2 理论中，e t c 为轻夸克提 供质量，同时为t ，b 提供部分质量m ：，m ：。要使轻夸克的质量与实际相符，要求e t c 为 w 出d n g e t c 。 由于在t c 2 模型中电弱对称性破缺主要由t c 相互作用引起，顶夸克凝聚对电弱破缺 的贡献很小，所以( 2 2 8 ) 式描述的破缺方式产生的三个哥尔斯通玻色子不会被规范玻色子 w 、z “吃掉”，它们是t o p c o l o r 部分所独有的可观测的物理粒子，称之为t o p 巾i o n s ，用 n ，( ，n ? ) 表示。由于t o p 凝聚作为旁观子与电弱破缺无关，应存在由t ，b 组成的t o p p i o n s ， n 与t 山夸克的耦合为： 第二章标准模型的精确检验和新物理 舞吼s m 击硼训卟击砸埙肌 。 ( 2 4 7 ) 后来，人们考虑到了t e c h n i p i o n s 和t o p p i o n s 的混合 2 0 ，得到混合后的，与t ，b 夸克的 耦合为 詈t a i l 卢陋& k 盘乇r 一? + 压磋瓦，一 + 盏k 监乇? + 互k 盎置等瓦；+ k j ， f 为兀，的衰变常数，可由p a g e l s s t o k a r 公式得到 磁= 等嘲。g 筹峋。 ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) 其中，聊。为动力学质量，取截断标度a = m 口，m ，= 1 7 5 g e v ，七= 0 可得f = 5 0 g e v ， t o p p i o n 的质量为 嵋= 当o 0 3 f 0 + 1 ，1 o 死矿m b 1 5 t e v ，肌，= 1 8 0 g e v 时，有 1 8 0 g e v m 兀兰2 4 0 g e v ( 2 5 0 ) e t c 相互作用对b 夸克质量有o ( o 1 ) o ( 1 o ) g e v 的贡献。b 夸克质量主要来源于s u ( 3 ) 1 的i n s t a n o n s 效应，i n s t a n o n s 对b 夸克的贡献为 2 1 m ：釜婴兰6 雠g e v 釜吾邹6 柚刨 七的范围为l 旷1 1 。t o p p i o n s 与t ，b 夸克还存在一正比于：的耦合 1 9 ( 2 5 1 ) 第二章标准模型的藕确输骚，稚薪物理 高p 咖n ? + 击砸十蚝如+ + 去殛+ 赡妞i 。 c z s z ， t c 2 模烈把t c 相互作用和t o p c 0 1 0 r 相互作用结合起来，包含了t c 理论和顶夸克凝聚 模型弧穗瓒论的优点，谯一定程度上宠服了两种趱论的缺点。戮此，它是目虢人们感兴趣 的一静入王色理论。另一方面，t e 2 摸激预言的撬藏渡色子有：e t e 规范玻色予、c o l o r o n 彰 以及新的u o ) 规范玻色予z 。预言的赝哥尔斯通玻色子有t e c h n i p i o n s ，t o p p i o n s 。因 越，t e 2 摸挺势必对一些可褒溅物理爨产生修正。薮嚣，臻究l e 2 瑾德在裹戆实验孛霹戆 的物理迹镦是当前粒子物理的重要前沿课题之一。 在t c 2 模型中，一热可能婚特殊物理迹象来源予以下三毒申粒子： a ) 与描述t o p c 0 1 0 r 强相互作用规范群s u ( 3 ) l 破缺到描述q c d 相互作用规范群s u ( 3 ) 。 相关的色八霾态规范玻饿予霹； b ) 与描述t o p c o l o r 强相互作用规范群u ( 1 ) l 破缺到描述电磁规范对称性( 1 ) 。相关 的色单重态规范玻色子z 。： c ) 来源于t o p c o l o r 的s u ( 2 ) 圆u ( 1 ) 手征对称性破缺的色单态同位旋三爨态 t o p p i o n s ( ，? ) 和同位旋单态t o p _ h i g g s 。 通过t e 2 模型的难簸研究，扶遴谂上预言t e 2 模型在高能物理试验上可虢产生的物理 效应，研究t c 2 模型中新粒子的产生机制，可为实骏检验t c 2 模粼提供有价值的理论指导。 同时，透过实验结果与模型理论预言的魄较，可以绘出一些对羊e 2 模型参数的限镂，或攒 导实验区分不同静新物瓒模型。霞_ | 墩，丁c 2 模型的啦象研究具有很重要的意义。t c 2 盼噔 象研究主要有二个方面：一是研究t c 2 对一些可观测物理量的贸献；二是研究新粒子的产 生机制。 2 0 第三章来来的直线对攘撬( l c ) 本质显示，他们的作用很弱，超对称( s u s y ) 能给暗物质提供很好的候选粒子 2 6 ，2 7 。 p h o c o n s 鹜3 。l 痰簧顿鼗嚣示激强 弦理论提出，空间的维数不止三维，且新的时缀结构可能激发出新的粒子。一个背景 予净又精确发商的口+ 8 一蠢线对撞机能较为清晰地看到这些薪粒子救质量谱。 上述这媾想法，帮试图将标准模激葶珏瞢朗克能标联系起来，丽这些理论数值化以后的 新发现都会在未来的l c 能区。许多新理论的复杂本质都要求建立背景干净，熊魑高，测量 精确的对攮橼寒实现理论瓣预言，丽k 秃疑是一个鬣赔鲍选择。 l e 的设计具有背景干净，精度高的特点，这都为发现新物理键供了便剩，丽它的数据 将有一部分和l h c 的结果熏叠，这样就可以从两个不同的对撞机的对比和补究中加强我们 黠自然本质的试谖。举铡寒说，超对稼轻予，在l c 上会特别滚以溥楚遮鉴剐，嚣为经销 的产生率很小，而且背景不干净，衰变巾还会有很大的能量丢失。i _ c 对这些粒子质量的测 量比l h c 要精确的得多，且有些参数体系下l h c 根本不能探测到那些超对称敉予。在这样 黥情况下，- 纛线对撞掇上褥来懿质量瓣傣患，可以麴强l 珏c 上最赢骚区对超辩豫参鼗空巍 的探测。另外 x 第三章未来的直线对撞机( l c ) l 一= 嘉丘， ( 3 1 ) 这里，x 是康普顿散射的动力学参数，定义为 z ：竺譬c 。s ：( p 2 ) ) ，( 3 2 ) m 。 其中，e 。，吼和口分别是电子能量，激光光子的能量，和电子束和激光光子束的角度( 见 图3 1 ) 。一个由康普顿背散射产生的计算好的光子能量谱如图3 2 。可以看出光子能量的分 布依赖于入射光子束和电子束的极化，即，可以通过控制极化而获得尖锐或是宽广的能量 分布。 量 d 哪 适 “ y 蚺y 蛐 图3 2 对应于不同极化的电子和激光光子，计算被散射的光子的能量和极化，即，最e = 一l ( 实线) 只= 0 ( 虚线) ，圪只= 1 ( 点线) 根据方程( 3 1 ) ，最大的光子能量会随着工的增大而增加，但是，当x 超过 2 ( 1 + 2 ) “4 8 3 时，康普顿散射光子和激光光子系统的能量会超过p + e 一对产生的域值。此 时，这个对产生的过程就会浪费产生的高能光子，且会成为探测器的背景，所以，至少作 为一个初步的假设，参数工要被限制到4 8 3 以下，相应地，最大的光子能量大约为电子能 量的8 0 。 因为对光子对撞机亮度的精确估计要求仔细的考虑激光康普顿散射和几何相互作用 的区域，这需要一个对激光康普顿散射的模拟和束流相互作用的模拟。下面我们可以简单 地估计光子光子对撞的亮度。用典型的光子对撞机的参数，假设电子的康普顿转换几率为 1 ( 电子的康普顿转换几率是指，一个激光脉冲中和一 互作用的光子数 平均值) 用这个假设，转换的效率k ，可以这样计算 七= 爿= 1 一p * o 6 3( 3 3 ) 第四章对撞钒上中往t o p - p i 介子产生过程_ 聪? 的研究 第豳章对攘机上中性t o p p i o n 介子产生过程_ r i ? 的研究 4 1 孳| 蠢 目前，电弱对称性破缺机制是标准模型最大的束解之迷。为了解决电弱对称性破缺问 题，太弱= 篷疆论上疆密了一些超窭稼壤攘鍪戆瑾埝，统黎耨魏遴。魄魏：怒霹稼摸鍪【7 l 和动力学电弱对称性破缺的t c 模型【8 ，9 ，1 0 ，1 1 ，1 2 ，1 3 】等。这些模型在懈释电弱对称 性破缺的同时，避免了标准模型中l l i g g s 场带来的平庸性和不自然性等问题。 实验上，瓣撞辍懿一个重要豹磷究嚣标羲是搽襄龟弱对称魏玻袋疆翻黧发现标准接墼 之外的新物理。人们相信，在靠近t c v 能标的地方熊更好地发现新物理的本质。计划建造 的国际直线对撞机( i l c ) 是一个能量范围在3 0 0 g 州到l5 t e v ，年积分亮度可达 5 0 8 声，拶秽豹矿g 一壹线对撞较瑟8 ，2 9 ，3 镯。它逶避燕负毫子素鞠翁淘瘫骜顿散骞| ，可敬在 大范围的光予能量谱上得到高亮度的光予光子对撞。另外，i l c 逐可以通过调节入射正负 电子束和激光束的极化，得到高度圆形极化的对攮光子束 3 1 】。光子对撞机在探索薪物理 模墅上其青戳下臻显鹣筑势：第一，激然e + 8 一，g ，对撞可戳产生耨丽豹粒子，对它 们的研究也非常相似，但怒对撞由于具有更丰富的对撞末态，以及光子束的极化方向容 易改变等优点，对撞熊提供绘我们一些新的信息。第二，由于矮毒毒的统； 精度，光予 对撞能够更好的对一些物理现象进行研究。第三，对予一些物理过程，光予对攮相对于p + # 一 对撞有更大的散射截面。由于新物理桐对于标准模型可能只有微小信号，所以对于新物理 来说，光予光予对撞是搽索耨物理迹象豹理想场鼹。 在新物疆模型中，下c 模型【8 】是最有代表的动力学理论之一。然而，托c h 嫩c o l o f 却不 能提供费米予质量，尤其是重的顶夸毙的质量。为了克服t c 模型这些缺点和成功解释顶 夸克质量阉题。1 9 9 5 年董 嚣l l 等人又掇爨了i 2 摸震【1 3 ，3 2 ，3 3 】。该模型艘麓瓣解鬓邀 弱对称注酸缺和重顶夸崴缀量问题。农t c 2 模型中，t o p c o l o r 楣飘作用对电弱对称性破缺 的贡献很小，但却产生了顺夸克质量的主要部分：( 1 一s ) m ，其中o ，0 3 占0 1 。电弱对 拣往玻缺( 戴w s b ) 主要