（理论物理专业论文）强子对撞机上顶夸克新物理效应的研究.pdf

l 一 一 摘要 粒子物理的标准模型( s m ) 在过去的四十年已得到了广泛精确的检验，但随着实验和 理论的进一步研究，人们发现粒子物理的标准模型中仍存在着一些问题。探寻标准模型 之外的新物理成为当前粒子物理学最为重要的任务之一。顶夸克由于其质量接近电弱能 标，使之成为s m 所预言的基本粒子家族中的一名特殊成员。因此，对顶夸克性质的研 究将有助于我们更好的理解电弱破缺机锘t j ( e w s b ) 和探寻新物理信号。 最近，费米实验室的两个实验组c d f 和d o 在正反质子对撞机t e v a t r o n 对顶夸克对 产生过程前后不对称性( a f b ) 进行了测量，结果表明实验测量值( a f a ( e x p ) = 1 9 3 6 9 ) 与s m 理论预言值( a f b ( s m ) = 5 0 1 5 ) 有超过2 t r 的偏离。这一偏离很可能暗示着新物 理的存在，并被在各种新物理模型下进行了详细的研究。我们的工作之一就是在r 宇称 破缺的最小超对称模型( r p v - m s s m ) 下和第三代增强的左右手模型( l rm o d e l ) 下研究了 顶夸克对产生过程前后不对称性。研究发现在顶夸克对产生截面和不变质量分布的限制 下允许的参数空间内，l r 模型将使得a f a 提高到1 2 ，与实验值偏离几乎减小至1 盯范 围内；而r p v - m s s m 中只有很小的一部分参数空间能够使得偏离减小至2 0 范围内。 除了顶夸克对产生过程前后不对称性这一可能的新物理信号外，顶夸克味改变中性 流( f c n c ) 过程是另一对新物理敏感的信号。鉴于大型强子对撞机( l h c ) _ i t _ 将会有大量的 顶夸克事例的产生，将为我们在l h c 上寻找顶夸克味改变中性流信号提供难得的机遇。 因此，我们在r p v - m s s m 下进行了顶夸克f c n c 产生过程的研究。结果表明与r 宇称 守恒的最小超对称模型相比，产生过程除c g 专砌外，昭专厄、曙专t 、c g 专纱和 c g 专忍均能达到l h c 的3 仃探测敏感度。这为在l h c 上检验r 字称破缺的最小超对 称模型和区分其他新物理模型提供理论指导。 关键词：顶夸克，r 宇称破缺的最小超对称模型，左右手模型，前后不对称性，味改变中性流，强子 对撞机 卜一 a b s t r a c t t h es t a n d a r dm o d e l ( s m ) o fe l e m e n t a r yp a r t i c l eh a sb e e ne x t e n s i v e l yt e s t e db yt h ep r e c i s e e x p e r i m e n t a ld a t ad u r i n gt h ep a s t4 0y e a r s h o w e v e r , 讥t ht h ed e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n t a la n dt e o r e t i c a l r e s e a r c h e s ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h es ms t i l lh a ss o m ep r o b l e m s t h e r e f o r e ，t h ee x p l o r a t i o no fn o w p h y s i c sb e y o n dt h es m b e c o m e so n eo ft h em o s ti n p o r t a n tt a s k si nc u r r e n tp a r t i c l ep h y s i c s d u et ot h et o p q u a r kw i t hm a s sa te l e c t r o w e n ks c a l e ，i ti sb e l i e v e dt h a tt o pq u a r kp l a y sas p e c i a lr o l e si nt h ee l e m e n t p a r t i c l e sz o oa n dw i l lh e l pu sn o to n l yt ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo fe l e c t r o w e a ks y m m e t r yb r e a k i n g ( e w s b lb u ta l s ot oe x p l o r et h en f p h y s i c ss i g n a l s r e c e n t l y , t h et o pq u a r kf o r w a r d - b a c k w a r da s y m m e t r yh a sb e e nm e a 跚r e db yt h ec d fa n dd o c o l l a b o r a t i o n sa tt h et e v a t r o n ，w h i c hi sap r o t o n a n t i p r o t o nc o l l i d e ra tf e r m il a b t h er e s u l ts h o w st h e r ei s am o r et h a n2 仃d i s c r e p a n c yb e t w e e ne x p e r i m e n t a lv a l u e ( a r b i e x p ) = 19 6 6 9 ) a n dt h e o r e t i c a l v a l u e ( a r s ( s m ) = 5 0 1 5 ) t h i sd e v i a t i o np r o b a b l yi n d i c a t e st h ee x i s t e n c eo fn e wp h y s i c sb e y o n dt h e s ma n dh a sb e e ns t u d i e di nm a n yn e wp h y s i c sm o d e l si nd e t a i l s i no u rw o r k ，w ee x a m i n et h ec o n t r i b u t i o n t ot o pq u a r ka r bi nt h em i n i m a ls u p e r s y m m e t r i cm o d e lw i t h o u tr - p a r i t y ( r p v m s s l v 0a n dt h e t h i r d - g e n e r a t i o ne n h a n c e dl e r - r i g h tm o d e l ( l rm o d e l ) w ef i n dt h a tu n d e rt h ec o n s t r a i n sf r o mt h e t t p r o d u c t i o nr a t ea n dt h e t ti n v a r i a n tm a s sd i s t r i b u t i o n ，t h el rm o d e lc a ne n h a n c ea 阳t o1 2 i nm o s t p a r to ft h ep a r a m e t e rs p a c e ，w h i c hi ss l i g h t l yb e l o wt h e1 仃b o u n d n e v e r t h e l e s s ，f o rt h er p v o m s s m ， o n l yi nan a r r o wp a r to f t h ep a r a m e t e rs p a c e , t h ea f s c a l lb ee n h a c e dt ow i t h i nt h e2 0 r e g i o n b e s i d e st h ep o s s i b l en e wp h y s i c ss i g n a lm a n i f e s t i n gi nt h et o pq u a r kf o r w a r d - b a c k w a r da s y m m e t r y , t h et o pq u a r kf l a v o rc h a n g i n gn e u t r a lc u r r e n t ( f c n c ) 伽b ea l s os e r v e da st h es m o k i n gg u nf o rn e w p h y s i c s d u et ot h ec o p i o u st o pq u a r kp r o d u c t i o ne v e n t sa tt h el a r g eh a & o nc o l l i d e r ( l h c ) ，i tp r o v i d e sa n g r e a to p p o r t u n i t yf o ru st os e a r c ht h et o pq u a r kf c n cs i g m a l s i nt h i sw o r k ，w e h a v r es t u d i e dt h et o p q u a r kf c n cp r o d u c t i o np r o c e s s e sa tl h c t h er e s u l t ss h o wt h a t ，i nc o n t r a s tt ot h erp a d t yc o n s e r v i n g c a s e ，t h ep r o d u c t i o np r o c e s s e sg g 一岳，c g 专t ，c g _ f 厂a n dc g 专t ze x c e p tc g 专t h c a l l r e a c ht h e30 s e n s i t i v i t ya tl h ci nt h er p v - m s s m t h e s es i g n a l sc a nb eu s e da sac o m p a s st ot e s t i f yt h e l i i r p v - m s s ma n dd i s c r i m i n a t et h ed i f f e r e n tn e wp h y s i c sm o d e l sa tl h c k e yw o r d s ：t o pq u a r k ，t h e r p v m s s m ，t h e l - rm o d e l ，f o r w a r d - b a c k w a r d f l a v o r - c h a n g i n gn e u t r a lc u r r e n t ，t h eh a d r o nc o l l i d e r 目录 摘要i d l 】b s t r a c t i i i 目录v 第一章前言一l 1 1 标准模型简介1 1 2 强子对撞机上顶夸克的产生与衰变5 1 2 1 顶夸克对强相互作用产生性质7 1 2 2 单顶夸克电弱相互作用产生性质8 1 2 2 顶夸克的衰变性质1 0 1 3 工作简介1 3 第二章t e v a t r o n 上顶夸克对产生过程前后不对称性的研究1 5 2 1r 宇称破缺的最小超对称模型下的研究1 6 2 2 第三代增强的左右手模型下的研究1 8 2 3 总结2 2 第三章l h c 上r p v - m s s m 中顶夸克昧改变中性流过程的研究2 5 3 1r p v - m s s m 中顶夸克味改变中性流产生过程的研究2 5 3 2 总结3 0 第四章：总结与展望。3 3 附录a 有效顶角和振幅具体表达式3 5 附录b 标准函数定义3 7 参考文献3 9 致谢4 3 攻读硕士学位期间的研究成果4 5 独创性声明4 7 关于论文使用授权的说明4 7 v 第一章前言 1 1 标准模型简介 第一章前言弟一早日l ji 粒子物理标准模型( s m ) 是基于规范对称群s u ( 3 ) c s u ( 2 ) 工 【，( 1 ) ，的量子场论模 型【1 1 。它是迄今为止公认的最好的描述弱、电、强三种相互作用的模型。从建立到现在， 已被大量的实验事实所证实。标准模型的物质场粒子谱及相应的量子数如表1 1 【2 】，规 范场分别处于相应规范群的伴随表示中： 表1 1 标准模型的物质场及相应的规范量子数，其中t ，t a 分别是总同位旋和其第三分量，q 是电荷 s u ( 3 ) c s u ( 2 ) lu ( 1 ) y t t s 口 尊=( 嚣) 32 v 6 坍鬈：影量 戗k = t i 矗 c露tr 31 2 3 00 + 2 3 d k =妇 s rb r 31 - , 3 oo - 1 3 譬=( , e e l ) 馏) 偿) l 2 叫2 啦瑚一0 l 磊=喝唼呸 o0000 0 毋= ( 多) l2 l 2 l 2 瑚 + 。i 当规范对称性和场的规范量子数确定之后，考虑定域规范不变性和可重整性，就可 以写出s m 的拉氏量。通常可以写成如下几部分： l s , = 二g 坶妒+ k + k + 厶妇 ( 1 1 ) 第一项是纯规范场项，包括规范场的动能项和相互作用项，具体形式如下： k 咿= 一丢q ，g 缈一丢吃，肜妒一三吃，b 芦， ( 1 2 ) 其中场强张量分别为： q ，= a q a ，q 一毋厂耻q 嘭 ( 1 3 ) 睨，= a f 睨一a ，一9 2 e 拈睨彬 ( 1 4 ) 巴，= a f 毋一a ，吃 ( 1 5 ) 这里的g s 和9 2 分别是非阿贝尔规范群s u ( 3 ) c 和s u ( 2 ) 工的耦合系数； f 驰( f ，_ ，k = 1 ，8 ) 和s 独( f ，k = l ，2 ，3 ) 分别是非阿贝尔规范群s u ( 3 ) c 和s u ( 2 ) 的群结构 强子对撞机上顶夸克新物理效应的研究 常数。 第二项是物质场项，包括物质场的动能项和物质场与规范场的相互作用，具体形式 如下： 厶蝴= 乏，嘭广0 + 叫- - i 。嘶e l l 广+ 磊娣7 q i + “l 五i z , i t 2 广”：+ 丞嘭。广矾( 1 6 ) 其中求和指标i = e ，f 表示质量本征态，i = l ，2 ，3 表示弱作用本征态。夸克的质量 本征态与弱作用本征态之间通过c k m 矩阵联系。协变微分算符的具体形如下： 嘭= 屯+ g 。( 一三) 吃+ g ：( ) 吃 ( 1 7 ) r = a + 嚼( 一1 ) 吃 ( 1 8 ) 彬= 九+ 弛( 丢) 吃+ g ：( ) 吃+ 哲，( 鲁) q ( 1 9 ) 磷- ：吼+ f g l ( 詈) 吃+ 弛( 每) q ( 1 1 0 ) jz 磷4 = 吼+ 弛( _ 三) 吃+ ( 争g 二 ( 1 1 1 ) 第三项是费米场和希格斯场相互作用的汤川( y u a k a w a ) 项，它给出了物质场粒子 的质量具体形式如下： ft6 k 。鼬= 一乏，织+ r - e g ，兹矽。”：+ c 一e g ，坎- - i 孵足i + j 1 1 c ( 1 1 2 ) i = ei = ui = d 式中的希格斯的共轭场。= f 乇，也是的s u ( 2 ) 二重态，产生上型夸克的质量。 第四项是希格斯项，包括希格斯场的动能项，质量项和规范场的质量项及规范场与 希格斯场的相互作用项，具体形式如下： h 婚= ( d l ) + ( d ) 一m 2 + 一允( + ) 2 ( 1 1 3 ) 除上述四项外，由于规范场剩余自由度的存在还应有规范固定项和鬼项的存在，在 洛伦兹( l o r e n t z ) 规范下，它们的一般形式为：、 = 一去0 矛户 ( 1 1 4 ) 矾州= 巧+ a 2 万一g o 历+ ( 彳历) ( 1 1 5 ) 这里的元表示非阿贝尔规范场，巧是相应的鬼场。从( 1 1 3 ) 式可以看出，希格斯场 存在非零真空期望值，使得可以通过真空对称性自发破缺而产生粒子质量。为避免希格 2 斯场非物理分量的出现，可将希格斯场取如下形式： 矽= 去0 m 旧 容易看出将上式代入( 1 1 2 ) 和( 1 1 3 ) 式可以得到规范场粒子和物质场粒子的质量表 达式。 以上内容是对s m 理论框架的简单介绍。s m 建立之后几十年，人们对它所预言的可 观测量进行了大量的实验检验，结果表明对于绝大多数情况，二者符合的相当好。但是， 随着近些年实验和理论的进一步研究，人们发现标准模型中仍存在着一些问题。理论方 面： 1 平庸性问题【3 】 在s m 中引入了基本标量场矽的自相互作用名矿，其跑动耦合常数彳( q 2 ) 满足的群 重整化方程为： q 2 丁d 2 ( q 2 ) = f l ( a , ( q 2 ) ) _ 掣2 1 r ( 1 1 7 ) m 上式的解为： 饥q 2 产奄 l 一二；厶l i l ( 1 1 8 ) 其中q 为某一参照能标，人为正规化截断能标，厶= 旯( 人2 ) 为正的有限常数。显然，当 人专0 0 时，对于任意有限的能标q ，力( q 2 ) = 0 。因而标准模型的h i g g s 部分实际上是自 由场理论，此相互作用具有平庸性。这就意味着标准模型并不是在任意能量标度都适用 的理论【q2 锋岫】，它只能是更基本理论的一种低能有效理论。 2 不自然性问题( 规范等级问题) 【4 】 所谓规范等级问题，就是从电弱破缺的能标到新物理能标的过渡问题。因为标准模 型要求的电弱破缺标度比较严格，而且必须对h i g g s 粒子的质量进行精细调节，使得它 的质量能够一直稳定在几百个g e v 附近，这就显得理论不够自然。因此，标准模型在高 能区必须被一个更深刻、自洽的理论所代替，现有的标准模型只是一个低能有效的理论。 产生h i e r a r c h y 问题，是因为h i g g s 粒子的质量在单圈阶存在紫外平方发散。这些单圈 阶的最大贡献主要来自t o p 夸克、电弱规范玻色子和h i g g s 粒子的自相互作用，如图1 1 所示。 强子对撞机上顶夸克新物理效应的研究 p 恍 鋈 图卜1 标准模型中h i g g s 粒子质量二次发散贡献的主要来源费曼图 经过计算，可得到h i g g s 质量在单圈阶的修正为： 万m 2 从2 ，( 1 1 9 ) 将其质量重整化后可得到h i g g s 粒子物理质量与裸质量的关系为： 2 = 从2 + 从2( 1 2 0 ) 若取a 为普朗克标度1 0 1 9 g e v ，而h i g g s 玻色子质量为1 0 2 g e v 的量级，则此标度比h i g g s 玻色子质量大约要高1 7 个量级。这样只有彳，b 精确调节到l o _ 3 4 ，才能得到质量为 1 0 2 g e v 的h i g g s 玻色子。对于一种描述基本相互作用的理论，这很显然是不自然的。 若要求a ，b 只调节到lo _ 2 ，则要求 彳+ b ：1 0 4 i g e v ：1 0 _ 2 ( 1 2 1 ) 人2 、 可得到人= 1 t e v ，这就意味着在t e v 量级上要出现新物理。 3 s m 中的c p 破缺的起源和机制仍不清楚。 4 s m 中中微子质量为零是一种理论假定，实验上只能给出中微子质量的上限并且很 小。那么如果中微子质量不为零，什么原因和机制使中微子质量比带电轻子和夸克小得 多( 约为电子质量的百万分之一，为最重的t o p 夸克质量的十万亿分之- ) 7 5 实验上没有观察到自由夸克的存在，为什么夸克被“囚禁起来。如何从量子色动 力学的渐近自由行为和非微扰性质来理解? 6 s m 中电弱对称性是自发破缺的，破缺的能量标度在2 0 0 g e v 左右，但实验上还没 有探测到自发破缺机制中的h i g g s 粒子。那么h i g g s 粒子是否存在，它是基本粒子还是 复合粒子，它的质量究竟多大，有没有别的机制。这一系列问题都有待于我们继续研究 解决。 实验方面主要是： 1 现代宇宙学的观测表明可见物质之外还有暗物质、暗能量的存在【5 】； 2 仅借助于标准模型产生的c p 破坏难以解释宇宙学上观测到的大的正反物质不对 4 、， 、蹬 ， i 、m h ，、 一 第一章前言 称，对于这些标准模型中都未为给出解释【6 】。 总之，各方面表明标准模型很可能只是一个更高能标理论在电弱能标的一个有效理 论。因此，探寻标准模型之外的新物理成为当前粒子物理学最为重要的任务之一。 1 2 强子对撞机上顶夸克的产生与衰变 对撞机就是利用反向运行的粒子束对撞，来提高有效相互作用能量的高能物理实验 设备。对撞机与固定靶加速器相比，赢得了有效作用能量，但要获得能与固定靶加速器 相比拟的事例数，就必须提高其对撞亮度。所谓亮度是指单位时间、单位反映截面下 产生某种粒子的数目，单位为c m - 2 s 。如果某相互作用的截面为，每秒产生的相互 作用的事例数为n ，则有： n - 盯缸 ( 1 2 2 ) 由于许多感兴趣的相互作用过程的截面很小，为探测到这种事例就需要更大的亮 度。e + e 一对撞机目前最大瞬时亮度接近( 1 5 2 ) 1 0 2 3 伽2 s ，k e k b ，p e p i i 和c e s r 都达 到这个水平。质子对撞机的最大在值是2 3 1 0 2 3 c m - 2 s ，是现已退役的i s r 保持的记录。 对高能物理实验一个关键的量实际上是积分亮度，常以p 6 - l 来表示。 对撞机在粒子物理领域最近几十年来的进展中崭露头角，已成为一种占主导地位的 高能加速器，对粒子物理学的发展尤其s m 的确立起了举足轻重的作用。下面就列举一 些主要对撞机及其所做出的重要贡献。 c e r n 的l e p 是正负电子对撞机，质心能量达到2 0 0 g e v 。l e p 数据非常精确， 即使超出了机器自身的能量也很敏感。在标准模型的精确检验、提供“自然界只存在三 代中微子的实验证据等方面有重大贡献。 美国费米实验室的t e v a t r o n 对撞机是目前世界上能量最高的质子反质子对撞机( 周 长6 3 公里) ，它的质心能量接近2 t e v ，1 9 9 4 年在这台机器上找到了t o p 夸克。 德国的h e r a 质子电子对撞机，电子的能量3 0 g e v ，质子能量8 2 0 g e v ，且电子 束是极化的。1 9 9 6 年开始对极化质子束作了许多研究，在对q c d 的验证和强子的内部 结构及质子自旋的组成等方面有很多成果。 我国的b e p c ( ：l g 京正负电子对撞机) ，质心能量3 - 5 g e v 。虽然b e p c 能量较低，但 在粲夸克和r 轻子的研究方面具有独特的优势，它处在一系列共振区和产生阈( 表示某种 粒子刚能产生的能量值) 区，具有系统误差小、本底小、测量精确高的优点。中国物理 强子对撞机上项夸克新物理效应的研究 学家充分利用这一优点，获得了一系列国际承认的物理结果，例如中美科学家1 9 9 1 年 在北京谱仪上合作完成的f 轻子质量的精确测定，被李政道教授誉为当年“高能物理界 最重要的发现 。 还有美国s l a c 的b 介子工厂和2 0 0 8 年刚刚关门的c o m e l l 的c e s r 对夸克各代之 间的混合做出了系统的研究，对测量b 夸克衰变中c p 破坏的起源有重要的意义。 目前，倍受人们关注的对撞机是欧洲核子中心( c e r n ) 建造的大型强子对撞机 ( l a r g eh a r d r o nc o l l i d e r , 简称l h c ) 和下一代国际直线对撞机( i n t e r n a t i o n a ll i n e a rc o l l i d e r , 简称i l c ) 。l h c 的质心能量达1 4 t e v ，主要目标是寻找和探索h i g g s 粒子和新物理。人 们相信，随着l h c 的运行，将有助于我们搞清电弱破缺机制，发现新物理。我们这里 所说的强子对撞机主要是指t e v a t r o n 和l h c 。 顶夸克作为基本粒子家族中最重的一员，于1 9 9 5 年被c d f 和d o 实验组在美国费 米实验室的正负质子对撞机t c v a 臼o n 上发现【7 1 。之后，人们对它的性质进行了大量的实 验测量，包括顶夸克对的产生截面【8 】，顶夸克的质量以及最近测量的单顶夸克产生截面 f 9 】等，这些测量结果与s m 理论计算【1 0 1 都符合的很好。 目前对顶夸克质量的测量结果是：研= 1 7 1 3 g e v 。这一数值非常接近电弱破缺标 度，使得人们猜测对顶夸克的研究将会有助于对标准模型电弱破缺机制的理解和探索。 同时由于t e v a 仃o n 的对撞能量和束流量度较低，限制了顶夸克性质的详细研究。幸运的 是l h c 已经运行，按照预期设计指标每年将会产生8 0 0 0 万个顶夸克对和3 4 0 0 万个单 顶夸克事例，为详细研究顶夸克性质及其相关新物理提供了难得的机会。 图卜2 因子化的硬散射过程的部分子模型示意图 强子碰撞过程通常可以因子化成短程( 硬散射) 部分子截面6 - 与长程部分子纵向分布 函数( p d f ) z ( 薯，；) ，可以用图1 2 表示。硬散射截面是微扰可算的，它不依赖于入射 强子种类和强子波函数。部分子分布函数z ( 薯，；) 描述在因子化标度为作时，从入射 强子中找到动量分数为五的部分子的几率。它无法从量子色动力学的第一原理推出，只 能借助深度非弹和其他实验的结果整体拟合得到【1 1 1 。再考虑硬散射截面的高阶修正时会 6 第一章前言 出现紫外发散，需要引入另一标度因子z 足。为了使计算结果更加接近实验通常选取 所= 心= q ，其中q 是研究过程的特征动量，以后的讨论按此约定。 在强子对撞机上，s m 中顶夸克产生机制主要是两个：1 、顶夸克对的强相互作用产 生；2 、单顶夸克的电弱相互作用产生。下面就分别介绍这两种产生机制。 1 2 1 顶夸克对强相互作用产生性质 9 q 口 t9 t t9 图1 - 3 顶夸克对o c d 领头阶产生过程费曼图 理论上，s m 中顶夸克对的产生主要是通过夸克湮灭和胶子凝聚过程进行的，相应 的领头阶费曼图如图1 3 。由上面强子碰撞产生截面的因子化分析可知顶夸克对产生截 面公式应为部分子过程g 虿一万和g g 专厅的截面与其在入射强子中的分布函数的卷积， 形式如下【1 2 1 ： 似岛拜) - 哥圳毛蜘也z ( 五，屏) 乃( _ ；碗o ，m t ，所，心，哆( 属) ) ( 1 2 3 ) 此处的i j 表示胶子或者夸克一反夸克的可能组合，标度因子选取为所= 鲰= m t 。； 是部分子系统的有效质心能。在t e v a t r o n 上，顶夸克对的产生主要在质量开端附近， d a 西的峰值大约在3 2 质量开端，此时顶夸克平均速度为o 5 。如果在开端附近取 而= _ = ，可以得到孕。对于t e v a t r o n 一期( ；= 1 8 死y ) = o 2 ，夸克在质 子中的分布远大于胶子，这样夸克湮灭和胶子聚合对顶夸克对的产生贡献分别占到9 0 和1 0 。类似的，t e v a t r o n 二期( s = 2 0 t e v ) 两者的贡献分别为8 5 和1 5 。在l h c 上( 以= 1 4 t e v ) 情况正好相反，夸克湮灭和胶子聚合贡献分别为1 0 和9 0 。 顶夸克对产生截面q c d 领头阶( n l oq c d ) 的计算会存在很大的不确定度( 大约 强子对撞机上顶夸克新物理效应的研究 5 0 ) ，主要来自重整化和因子化标度的选取及其对的影响，此外还有m t 、q ( ，l ；) 的 精确值和p d f s 。在t e v a t r o n 上，由于对产生截面的主要贡献来自夸克湮灭所以p d f s 带了的不确定度很小。与此相反，在l h c 上胶子聚合过程会带来大约1 0 的p d f s 不 确定度。为了降低标度因子带来的主要误差，需要考虑高阶修正。计算时有两点需要注 意：l 、要考虑所有给定口。阶的费曼图贡献，除虚修正外还有实辐射过程的贡献；2 、要 使口。的阶数与p d f s 的阶数匹配，因为因子化标度的任意性使得硬散射的实辐射过程与 p d f s 之间存在着很强的抵消。表1 2 给出了m t = 1 7 5g e v 时，在t e v a 仃o n 和l h c 上q c d 次领头阶顶夸克对产生截面【1 3 】。 表1 - 2t e v a t r o n 和l h c 上o c d 次领头阶顶夸克对产生截面 o n l o ( p b )q q _ t tg go 托 t e v a t r o n ( = 1 8t e v ，嗣 5 1 9 + 1 3 9 0 1 0 5 2 4 圭6 9 0 1 0 t e v a t r o n ( v 石- = - 1 9 6t e v ，嗣 6 7 0 1 3 8 5 l s 6 7 7 4 - 9 8 5 1 5 l h c ( = 1 4t e v ，t o p ) 8 3 3 - + - 1 5 1 0 9 0 由于软胶子辐射的贡献会使得在顶夸克对质量开端处( 一0 ) ，n l oq c d 的计算 出现大的对数发散( ql 0 9 2 ) 造成计算结果的不稳定性。处理这种大对数问题的方法是 重求和( r e s u m a t i o n ) 。研究表明次领头阶对数重求和贡献大约为5 ，但是可以有效降低 截面对重整化和因子化标度的依赖性。 由于顶夸克对产生截面对顶夸克相关的新物理非常敏感，尤其是新共振态的出现将 会影响到总截面和微分截面分布。比如：新的规范粒子，胶子的k k 激发态等。因此， 对顶夸克对产生截面的精确计算具有重要意义。 1 2 2 单顶夸克电弱相互作用产生性质 强子对撞机上单顶夸克的产生主要是通过三个过程：( 1 ) 夸克反夸克湮灭过程( 或称 为s 道) ，通过交换一个类时的w 波色子实现【1 4 】；( 2 ) w 和胶子的聚合过程( 或称为t 道) ， 通过交换一个类空的w 波色子实现，它与( 1 ) 形成互补覆盖转移动量平方的不同区域【1 5 】； ( 3 ) w t 的联合产生过程【1 6 】。相应的费曼图如下： 8 第一章前言 互- 二王 ： 二： = 二 图1 - 4 单顶夸克电弱领头阶产生过程费曼图 这三类过程的总截面都正比与i 圪1 2 ，因此单顶夸克产生过程可以用来直接测量 c k m 矩阵元圪。同时由于弱相互作用的y 一彳结构，产生的单顶夸克几乎是完全极化， 这一过程还可以作为一种高能检验矿一彳结构的方法。三类过程中w t 的联合产生截面 较小背景较大很难在t e v a t r o n 上测量到，而s 和t 道可以在t e v a t r o ni i 上测量。最近 t e v a t r o n 在质心能1 9 6 g e v 亮度为3 2 f b j 的实验测量结果2 7 6 p b 与标准模型的理论预测 值( s 和t 道总截面) 2 9 p b 符合的很好，再次证实了标准模型的预言。下面我们分别对三 类过程进行分析。 对于s 道，初态为夸克反夸克，这样由p d f 带来的不确定度较小。在t e v a t r o n 和j l h c 上的n l o 计算表明截面对重整化和因子化标度的依赖较小，大约是2 。重求和 的贡献也较小，大约是3 。当顶夸克质量变化5g e v ，截面随之变化干1 0 ，对顶夸 克质量的精确测量可以有助减小理论计算的误差。 对于t 道，由于初态涉及胶子和底夸克，p d f 具有较大的不确定度。在t e v a t r o n 和 l h c 上的n l o 计算表明截面对重整化和因子化标度的依赖相对s 道较大，大约是5 。 当顶夸克质量变化5 g e v ，对于t e v a t r o n 和l h c 截面随之变化分别为- t - 8 和千3 。 y u k a w a 修正也较小，大约是l 。t 道的终态是t b q ( 或者t e d ，由于p r ( b ) i v t b l 谚b ( 1 0 3 ) 。在图1 5 中，列出了厅衰变的各种衰变道树图阶的分 支比。 顶夸克s m 中性流衰变过程：tj q v ，h ，其中q 是前两代上型夸克，在s m 中味改 变中性流( f c n c ) 过程受g l a s h o w i l i o p o u l o s m a i a n i ( g i m ) 机制的限制，树图阶没有相应 的过程，圈图过程被圈图因子压低。考虑厅产生截面大和对顶夸克s m 衰变模式的标记 能力，对于这类稀有过程的探测通常是利用厅产生过程进行的，一个顶夸克按照s m 衰 变模式衰变，另一个通过稀有过程发生，借助其衰变产物进行寻找。例如：t 专q z 可 以通过寻找z 衰变到两个轻子探测，t 专g y 可以通过产生的硬光子和q 的不变质量重 建到顶夸克质量探测等。这些结果远远低于l h c 和t e v a t r o n 的探测能力。在表1 4 中， 列出了一些顶夸克衰变过程的s m 分支比，t e v a t r o n 上的限制以及l h c 上5 0 的显著性 【2 0 】。其中t 寸c h 的结果依赖于希格斯粒子的质量( 此处，l = 1 2 0 g e v ) 。从表中可以看出 s m 的顶夸克f c n c 衰变过程是不能够在t e v a t r o n 和l h c 上探测到的，但是对于一些 新物理模型这些过程会被抬高几个数量级。例如在双希格斯模型i i i 中， t 专c 妒( 口= g , y ，z ) 的分支比可以达到1 0 巧量级，甚至对于f 专c 巧。哆也能够达到1 0 5 强子对撞机上顶夸克新物理效应的研究 量级【2 l 】。这就使得在l h c 高亮度运行时寻找到相关新物理信号成为可能。 顶夸克的非s m 衰变过程，及顶夸克衰变到非标准模型粒子的过程。这里简单介绍 一下希格斯场扩充的双希格斯模型( 2 h d m ) 和最小超对称模型( m s s m ) 中的这类过程。 在2 h d mi i 中，两个希格斯二重态分别给上型和下型夸克质量，模型中的一个重要 参数是两个二重态真空期望值的比：t a n p = m v z 。如果运动学允许，t _ h + b 反应道 将会打开。对于这个过程，t h + 一b 顶角耦合在t a n p 变大或变小时都会被增强。当t a r i f f 大时，日+ 主要衰变到f + 1 ，就会导致顶夸克的s m 衰变模式中衰变到f + 的分支比反常 增大；当t a n f l 小时，h + 主要衰变到西，此时会是得由产生的喷注重建的不变质量偏离 矿+ 的质量。由于这个道的性质还依赖于m 一，当取9 0 g e v m u + 1 5 0 g e v ，目前从 t e v a t r o n 上测得的9 5 置信度水平的实验限制是：如果日+ 专广，那么t 专h + b 的分支 比小于1 5 ；如果日+ 专西，那么t h + b 的分支比小于3 0 。在l h c 上只要 m u + o 4 5 。 总之，在l h c 上大量产生的顶夸克事例，为进一步精确研究顶夸克的s m 衰变性 质，发现可能的新物理信号提供了难得的机会。 1 2 第一章前言 1 3 工作简介 本文的结构安排如下：第二章研究了t e v a t r o n 上顶夸克对产生过程前后不对称性在 几种新物理模型下的情况，比较了标量粒子传递和规范粒子传递的相应结果；第三章在 l h c 上研究了r p v - m s s m 中顶夸克味改变中性流过程；第四章是总结和展望。 1 3 第二章t e v a t r o n 上顶夸克对产生过程前后不对称性的研究 第二章t e v a t r o n 上顶夸克对产生过程前后不对称性的研究 迄今为止，在t e v a t r o n 上对顶夸克对和单顶夸克的产生截面测量结果与s m 的预言 是一致的。但是最近测量的顶夸克对产生过程中，前后不对称性( 铭) 却与s m 计算结果 有2 盯的偏离。在万实验室系中铭定义如( 2 1 ) 式： 铭= 羔爿揣 亿， 其中0 是在厅质心系中重建的顶夸克动量与质子束的夹角。在s m 中，这一不对称 性主要来自n l oq c d 与l oq c d 干涉的贡献，如( 跗) = 5 0 1 5 【2 2 】相应的费曼图 如图2 - 1 。c d f 和