（理论物理专业论文）强子对撞机上中性toppion介子产生机制的研究.pdf

摘要 虽然标准模型( s m ) 己被大量的精确实验的所检验，但到目前为j l ，高能物理实验还 未发现h i g g s 粒子，电弱对称性自发破缺机制( e w s b ) 还不清楚。标准模型只能是一个 低能有效理论，超出标准模型的新物理应该在t e v 能标附近存在。探测新物理，揭示电弱 对称破缺机制是当前人们十分关注的理论问题，也是当前和未来高能对撞机，尤其是强子 对撞机的重要研究内容。 项色辅助的人工色( t c 2 ) 模型是一种较为理想的动力学破缺理论。t c 2 模型预言了新 粒子的存在，如t o p p i o n s 介子。t o p p i o n s 介予的发现，可认为是t c 2 模型存在的直接 证据。因此，对t o p p i o n s 介子产生机制进行研究有重要意义。 本文研究了强予对撞机t e v a t r o n 和l h c 上中性t o p p i o n 介予n ? 的产生机制，信号 主要来源于：? 与第三代夸克的关联产生( 厢? ，6 i n ? ，f 孤? ) ；n ? 与规范玻色子的关 联产生( y ，y = g ，+ ，z ，y ) 。我们的研究结果表明：( 1 ) 冶是主要产生道，其 产生截面在t e v a t r o n 上为几个p b ，在u i c 上提高到几百个p b 。每年通过该反应道在l h c ( t e v a t r o n ) 上产生的n ? 事例数可达1 0 7 ( 1 0 4 ) 个，通过味改变的? 一疗衰变模式，我 们很有可能探测到n ? 。( 2 ) 痂? 和网? 是另外的重要产生道。在t e v a t r o n 上，这两过 程的产生截面都很小，实验无法观测。而在l h c 上，对轻的中性t o p p i o n ，p p 一枷? 和 p p 一万n ? 的产生截面可达到几百个f b ，甚至几个p b 。这意味着通过这两个过程每年在 l h c 上产生的? 事例数将可达1 0 4 个。数量可观的事例数及相对干净的背景，使我们能够 在l h c 上探测到中性t o p p i o n 介子，而且通过实验的精确测量也会为我们进一步研究厢? 和皿? 的耦合提供有用信息。尤其是过程即一晒n ? ，由于s m 和m s s m 中不存在树图水平 的类似的昧改变过程，因此，该过程不仅是探测重n ? 的理想途径，而且为我们区分t c 2 模型与s m 或m s s m 提供了契机。( 3 ) ? 与其余三种规范玻色子( + ，z ，r ) 的关联产生过 程的产生截面很小，实验无法通过这些产生道探测? ，但却为我们区分n ? 与s m 或m s s m 中h i g g s 粒子提供了一种途径。总之，我们的研究结果可为实验寻找t o p p i o n s 介子提供 有价值的理论指导。 关键词：标准模型，顶色辅助的人工色理论，中性t o p p i o n 介子，强子对撞机。 a b s t r a c t a i t h o u 曲f h es t a n d a d 玎1 0 d e i ( s m ) h a ss u o c e s s f u l l yp a s s e daj o to fp r e c i s ee x p e r i m e n t a ic e s i s ，i h eh i 黯s b o s o nh a sn o t b e e nf o u n d b yt h eh 碴h - c n e f g ye x p e r i m e n ta n dt h ed y n a m i c so fe l e c t r o w e a ks y m m e t f yb r e a k j n g 皿w s b ) i sn o lc l e a ln u s ，t h es mc a l lo n l yb er e g a r d e da sa e 航c t i v ef i e l dt h e o r yb e l o ws o mh 蛐e n 。唱y s c a k n e wp h y s i c sb e y o n dt h es ms h o u i de x i s t sa tt h ee n e 唱ys c a i e sa m u n dt e v d e t e c t i gn e wp h y s i c sa n d p r o b i n gl h ef w s bm e c h a n i s ma r en o to n l yi h ei n t e r e s t i n gt l l e o r e t i c a lp r o b l e m ，b u ia l s 0b e c o m eo n eo fl h e m o s ii m p o r t a n tt o p i c sj nt h ec u m n ta n df u l u r ee x p e r i m e n ta th 遍he n e 曙yc o l l i d e r s ，e s p e c i a l l ya th a d r o n c o l l i d e r s t o p c o l o 卜a s s i s t e dt e c h n i c o l o r 2 ) m o d e li sar e l a t i v e i yp e r f e c td ”a m i c a le w s bm e c h 蛆s i m s u c h m o d e ip r e d i c t st h ee x i s t e n c eo fs o m en e wp a n i c l c s ，s u c ba st 叩- p i o nb o s o n s t h eo b r v a t j 呻o ft o p p i o n sc 啪 b er e 窑a r d e da st h ed i r e c le v i d e n c eo ft h et c 2m o d e l n e r e f o r e ，l h es t u d yo ft h et 0 呻i o np m “c t i o n m e c h a n i s mi si m p o r i a n t ht h j sp a p e bw es t u d yt l l ep m d u c t i o m e c h a n s i mo fn e u t r a lt o p - p i o n n ? a t h a d f o nc 0 i l i d e 侣f r e v a t r o n a n dl h c ) n ep r 0 1 1 1 i s i n gs i g n a l sc a nb 。p r o d u c e dv i at h e 鹅s o c i a l e dp d u c i i o n0 fn ? w i n lap a i fo ft h e t h i r d f a m i l yq u a r k s ( 栅? ，6 云- ? ，庀n ? ) o rv i at i i ea s s o c i a t e dp r o d u c i i o no fn ? w i t l iag 跏g eb o s o ( y ，矿2 9 ，+ ，z ，y ) t h er e s u n ss h o wa st l l ef o l l o 谢n ga s p e c t s ：( 1 ) a m o n gt l l e s ep r o c e 豁e s ，t l l em a i p m d u c t i o nm o d ei sn ? gp m d u c d o n n ec r o s ss e c t i o nr e a c h e s af e wp ba t 山et e v a 咖n 柚dc 柚b e s i 酽墒c a n t l ye n h a n c e dt oa 矗挪h t l | 1 d f e dp ba tt h eu i c i nl h i sc h 蛐矾l ， a b o u t1 0 7 ( 1 0 4 ) e v e n t s0 f ? c 蛐 b ep r o d u c e dp e ry e a ra ti h eu i cf r e v a t r o n ) w i t hl l l ef l a v o 卜c h 卸g i n gd e c a ym o d e ? 呻f - ，i tj sp o s s i b l e t od e t e d ? a tm eh a d m nc o l l i d e f s ( 2 ) 1 1 1 e 和?强d棚?p r o d u c t i o n 玳a n o t h e ri m p f o t 如t p r o d u c t i o nm o d e s t h ec m s ss e c t i o n so ft l l e s ep r o c e s s e sa tt h et b v a 蚋) na r et o o 锄a l lt od e t e c t t h en e u t r a l t o p - p j o n tb u tt h ec r o s ss e c t i o n so ft h ea b o v e 押op r o d u c t i o nm o d e sc 柚r e a c ht h el e v e lo faf e wh u d r e df b ， e v e ns e v e r a lp bf o r l i g h tn ? a b eu c ，w h i c hm e a n st h a to v e r1 0 4s 蟾n a l sc a nb ep r o d u c e dv i as u c h p r o c e s s e sa tt h ei h ce a c hy e a lw i t ha1 3 r g en u m b e fo fs i g a l sa n dt h ec l e a nb a c 蚝r o u n d ，t h en e u t r a ll o p p i o n s h o u i db eo b s e r v a b i ea tt h el h c f u r m e n n o r e ，t h el h cc a np m v i d e ss o m eu s e f u li n f o 咖a l 把na b o u tt h e c o u p l i n g sz m ? a n df 石? w i t ht h ep r e c i s em e a s u r e m e n l w i t h o u lt h es i m i l a rt r e e 1 e v e lp r o d u c t i o np r o 。e 蟠 i nt h es ma n dm s s m ，i h ep r o c e s 3 即疟? n o to n l yo p e n sa ni d e a lw i n d o wi os e a r c hf o i 。t h eh e a 7 y n e u t r a l t o p p i o nb u ta l s op r o v i d ea nu n i q u ec h a l l c et od i s t i n g i l i s ht h et c 2m o d e lf m mt h es mo ro i h e rn e w p h y s i c sm o d e l s ( 3 ) n ec r o s ss e c t i o n s0 f 即_ 少( y = + ，z ，y ) i s t o o 锄a l l t od e t e c t ? ，h o w e v e r “p r o v i d ea no p p o n u n i l yt od i s t i n g u i s h ? 打o n lh i g g ss e c t o 碍o ft h es m o rm s s m i nc o n c l u s i o n ，o u r s t u d yc a ns u p p l yav a l u a b l el h e o r e t i c a li n s t r u c t i o ni op r o b l e ? e x p e r i m e n t a l l y k e yw o r d ：s t a n d a r d 1 0 d e l ，t 叩c o l o r _ 船s i s t c dt e c h n i c 0 1 0 f 盯c 2 ) n 蛐i 珀lt o p _ p i o n ，h a d r o nc o l l i d e l 第一章引言 第一章引言 标准模型( s m ) 是描述粒子问强相互作用和电弱作用的基本理论，它由量子色动力学 ( q c d ) 1 和电弱统一模型( g s w ) 2 ，3 ，4 两部分组成，是目前比较成熟的规范量子场理论， 它有效描述了能量在q 一1 0 0 g e v ( 或尺度小于1 0 “6 c 州) 范围物质的基本相互作用，是二十 世纪物理学最重大的成就之一。s m 创建3 0 年来，成功地经受了大量实验的检验。例如规范 玻色子彬、z 的发现 5 ，粲夸克、底夸克的确认以及顶夸克的发现 6 等。然而，目前电 弱对称性破缺( e w s b ) 机制问题仍不明朗，产生e w s b 的h i g g s 粒子还未发现。 r z 叱 r 0 嚣 “p j r ： r ； 芋 警 o w e c 砷 s i e m s i 低n ) g ：忡h ) g ；婶n ) 1 01 0 2 1 0 3 m h g e v 图1 1 各弱电参数给出h i g g s 粒子的质量 我们已知，s m 中量子圈图效应对h i g g s 粒子质量m h 依赖很小却很重要，原理上通过对 各弱电参数的精确测量和比较，可以预测掰。的值。目前，全球弱电参数精确测量的数据给 出h i g g s 粒子的质量范围： 肌h = 1 1 3 ：嚣g e v ( 1 1 ) m 。 “4 4g e v 一致 7 。综合两 组数据给 _ hh i g g s 的质量限1 1 4g e v 孙，) ，即一f 订r 一国f 是主要产生信号，s m 在树图水平没有这 种产生模式，因而背景干净。因此，印一岳? 为我们提供了探测重? 的很好途径。当 衅一疗的衰变被禁止时，碍一f _ 成为寻找? 的理想模式，即产生信号为f 撕或f 而石。l 蔚 不是味改变的过程，s m 中也存在，背景不可忽略。但髓是味改变的过程，背景将很干净， 也最适合我们确定中性t o p p i o n 介子的产生。若l h c 上的年积分亮度达到1 0 0 拍，通过 即一坛1 1 7 过程，每年将产生1 0 4 个事例数。大量的可观测信号及干净的背景，使我们相 信在l h c 上，p p 一阅? 过程将是探测中性t o p p i o n 介予，尤其是轻质量n ? 最有前景的 产生过程。 以上我们在t c 2 模型下研究了强子对撞机上中性t o p p i o n 介子与第三代夸克的关联 产生过程：厢? ，6 f n ? ，皿? 。同时，同位旋三重态的中性t o p p i o n 介子通过夸克三角 圈可以与一对规范玻色子耦合，类似q c d 中的p i o n 介子与规范玻色予的耦合。因而，研 究中性t o p p i o n 介子与规范玻色予的关联产生是探测n ? 的另一类重要过程。文献 4 7 已 经研究了高能p + p 一对撞机上e + e 一一? y z 过程。我们下面将集中研究强子对撞机上n y ( y = 占，+ ，z ，y ) 的产生。 第四章强子对撞机上中性l o p - p i o n 介子产生机制的研究 “= j j 毫；t a n 卢( 1 一s ) g ( 只，o ) 矿( p ：) y “( p 。) 一。，。占j ( p ，) p ? p ：。( 詈) c 。( 只，一p 。，珊，m 。) ( 4 2 2 ) m 。；髻t a n 肛啪( n 一刚脚( 2 ”咖地h ( p 1 ) + ( 2 p ，一p 。) 。( p 1 ) ：( p 3 ) 一( p ，+ p ，) ”。( n ) 。( p 3 ) 】 巾。s f ( p 2 ) p ? p f c o ( p 2 ，一p 4 ，m ，m ，m ，) ( 4 2 3 ) 即考孥t a n 肛s ) g 蚣如咿c ( 2 p ：_ p 3 ) 圳( 见) + ( 2 p 。一p ：) ( p 2 弦；( p 3 ) 一( p 3 + p 2 y ( p 2 ) s 。( p 3 ) 】 。f f 。) p f 形c o p l ，- p 。，m 。，m ，m ，) ( 4 2 4 ) m 。：型型丛生蓝旦坚g ( n 一岛，) - ( p ：) r ，( p ，一p 3 + ) y ，h ( n ) ：( 儿) ( 委) c ( 4 2 5 ) m ，z 型型! 窆；：蔓皇坚g ( p ：+ 见，矿。：) 凡q ：+ p 3 + 他) y ( n ) s ：( 岛) ( 鲁) ( 4 2 6 ) 这是强子对撞机上中性t o p p i o n 介子的主要产生过程，自由参数e ，m 。的取值范围 与4 2 节相同，= 0 0 3 ，o 0 6 ，o 1 ， 膨。在1 5 0 4 0 0g e v 之间变化。该过程在u c 和 t e v a t r o n 上的产生截面随自由参数的变化曲线如图4 5 和4 6 所示。 如图所示，? g 的产生截面随f 的减小而增加，在l h c 上n 黯的产生截面对e 参数的 依赖关系很明显，增加，截面减小。截面随中性t o p p i o n 介子的质量m 。的变化是非单 调的。在m 。= 3 5 0g e v 时，由于项夸克三角圈图的贡献，产生截面出现一个峰值。n ? 占的 产生截面在t e v a t r o n 上达到几个p b ，在l h c 上截面提高到几百个p b ，若t e v a t r o n ( l h c ) 上的年积分亮度为1 0 扣1 ( 1 0 0 扣- 1 ) ，每年通过n 冶产生的中性t o p p i o n 事例数将达1 0 4 ( 1 0 7 ) 个。s l 或m s s m 中h i g g s 粒子有类似的产生过程，数值结果也与n ? g 近似，但? 介 子有自己的特点。 对于s m 中m 。= 1 2 0g e v 的h i g g s 粒子，与一束喷注伴随产生的h + j e t 产生截面 ( 船一g 廿，裙一q h ，q 可一g h ) 在t e v a t r o n 上为0 1 曲，在l h c 上近似为1 2 p b 。这个结 果的前提是：横动量办( ，) 3 0g e v ，赝快度f 叩( 硝t2 5 4 8 。如果h 代表m s s m 中的标量 第四章强子对撞机上中性t o p _ p i o n 介子产生机制的研究 粒子 o ，h o 或赝标粒子，当 l s s m 的参量t a n 卢取中间值时，该过程的产生截面与标准 模型的截面大小相近 4 9 。然而，这个过程q c d 背景很大，通过这个产生道很难探测到s m 的h j g g s 粒子或m s s m 的标量粒子。另一方面，如果一个h i g g s 玻色子的质量m 。 1 5 0g e v ， 它哀变到标准模型粒子的宽度小于2 0m e v ，因而，人们假设h i g g s 的衰变是不可见衰变 ( i n v i s i b l yd e c a y i n g ) ，人们在其它模型下的研究发现，这种情况下的背景比信号大 1 0 3 1 0 4 倍 5 0 。所以，探测其它模型的i n v i s i b l y d e c a y i n gh i g g s ，h + j e t 产生道不能 提供有用信号，不是理想的探测道。与此对比，t c 2 模型中? 扩的强耦合显著提高了n 括 的产生截面，产生截面比s m 和m s s m 的大，产生的n ? 事例数数目可观，如我们的计算结果 所示，在l h e 上达到1 0 7 个。然而探测? ，我们需要区分信号与标准模型的背景。实验上 唯一可行的方法是限制喷注的p ，和m ，但这对信号和背景的作用是相同的。所以，研究n ? 的衰变模式有助于我们区分信号和背景，区分? 与s m 和m s s m 中的h i g g s 粒子。 在4 2 节我们已经研究过了n ? 的衰变模式，对于重的n ? ，? 主要衰变为矿，因而0 9 的信号为塘，国随之衰变为+ 一6 两，背景为彤+ 形一万。然而，即使实验能识别底夸克， ? 的质量也无法直接重构，因为+ 缈一要继续衰变，矽+ 咿一一f + f + 西，该末态包含轻子和 难探测的中微子。对于轻的? ，? 一万是主要的衰变方式，这是个味改变的过程，s m 中没有，因而，n ? g 一坛孕一+ 厶堙的主要背景是+ 6 何。p p ( 厕一n 冶一f 谤一+ 占_ g 过程的背景干净，产生的事例数多，随着实验上识别底夸克能力的提高和重构技术的改进， 这个产生道最有可能探测到? 。 ( b ) 日- 一炒+ n ? + 通过以下过程产生： q 可一? + 其中，目；“，c ，口= d ，s ( 在此厉碰撞的贡献可以忽略) 。对应n ? 厅，n i 的耦合形 式，存在两个夸克三角圈：b t t ，t 咄一b 。t - b 咄的有效耦合相对较小，我们在计算中忽 略了它对振幅的贡献。q 虿一n 砂+ 过程的产生振幅为： m 。= 一i ：浇t a n 卢( 1 一s ) g ( p ，聊”) 矿( p ：) y 9 ( 1 一y s ) “( p - ) 占。巾。p ；p ，c i l + ( p 4 p p + p 如p 抽) c l l 一2 p 4 p p 4 ，c 1 2 第四章强子对撞机上中性t o p - p i o n 介子产生机制的研究 一g 。，( p 。p ，c i 。一p ；q ：) 】扣：( p 3 ) ( 4 2 7 ) 其中，岛= g ( 只，一p 。，l 。，小。，竹) 。出于末态相空间压低且n 矽+ + 的有效耦合较弱，n ? + 的产生截面远小于? g 的截面。在l h c 上，该过程的产生截面为几个f b ，在t e v a t r o n 上 是零点几个f b 。图4 7 给出了l h c 上n ? + 和n ? y 的总截面随m 。变化曲线，这罩我们取 s - o 0 3 。根据n ? 的衰变模式，对于重的n ? ，主要术态是n ? 矽+ 一f 聊+ 一+ 6 一云谚+ 一川一，+ 谛沁百；对于轻的n ? ，主要末态是n ? + 一f 挪+ 一+ 6 硼+ 一，+ ，+ w 6 石。由于 ? + 的信号小，实验无法探测n ? ，这与s m 中h i g g s s t r a h l u n g 过程孵一矽不同。s m 或其它模型的h i g g s s t r a h l u n g 过程的产生截面达几个p b 5 1 ，并且该过程中矢量玻色子 的轻子衰变有助于我们从大的背景中提取有用的h i g g s 粒子的产生信号，特别是通过轻 h i g g s 的6 f 衰变过程 5 2 。 ( c ) 孵一h z z 信号通过以下过程产生： q 虿，三一n ? y ，z 这些过程的产生振幅为： m h q 鸶孥唧胁( p 。矿咖) 。s ：( p 3 ) p ：c 0 ( 4 - 2 8 ) 岬；f 糕t a n 肛郴珈( 姚) 矿p ：) y “( 吐+ 6 沁( n ) s ，。6 ：慨) 硝p i 。c 0 ( 4 2 9 ) m ；2 = z q 三；：；害薹：t 蚰卢( 1 一s ) ( 1 一号s ：) g ( p l ，。) 矿( p ：汀( p 1 ) ，：( p 3 ) p ? b 。g 【( 1 一：s ：) 2 1 】c 。一2 c l ，) ( 4 3 0 m 孑；j 五萝善警妄t a n 卢( 1 一s ) g ( n ，m ：) _ ( p ：“( 吐+ 6 扣( p 1 ) 。，p ? 西 【( 1 一；s ：) 2 1 】c 0 2 c 1 。) ：( 岛) ( 4 3 1 ) 其中，l - 去( 1 一y ，) ，q ，a ，b 的取值如下表所示： 第四章强子对撞机上中性i 叩一p i o n 介子产生机制的研究 表4 1 不同夸克的电荷q 和a ，b 的取值 q 口6 上夸克( u ，c ，t ) 2l = 5 ： 32 下夸克( d ，s ，b ) 1 1 ；s ： 一一 32 ? y 产生道的相空间虽然有提高，但n ? 一y y 的有效耦合压低了这种提高，因而，如 图4 7 所示，对于轻的n ? ，g 虿一的产生截面在l h c 上仅为零点几个f b ，而t e v a t r o n 上的产生截面更小。孵一n ? z 过程的产生截面在两种强子对撞机上都小于1 0 4 f b ，我们 可以忽略通过该过程产生n ? 信号。 在。+ 8 一对撞机上，p + e 一一n ? y z 是? 的重要产生过程。每年通过该过程可得到几百 个轻质量的n ? 事例数。因为s m 中岳的产生截面很小，e + e 一一z f - y z 过程的背 景干净，所以是探测轻? 的理想过程。而强子对撞机的反应背景大，且n z 的产生事 例数少，因而我们无法通过斫一n z 探测到n ? 。 在强子对撞机上，s m 的h i g g s 粒子可通过树图的丽一丘z 过程产生，产生截面超过 o 1 p b 5 3 。瑶虿一目z 也是寻找憋s 5 f i 中轻标量粒子的重要产生过程 4 8 。因此，这个产生 道排除了探测n ? 的可能性，却提供了探测s m 中h i g g s 粒子或m s s m 中标量粒子的良机。 4 4 总结 综上所述，在t c 2 模型下，我们研究了强子对撞机上中性t o p p i o n 介予的产生机制， 具体研究了两类反应过程：h ? 与第三代夸克的关联产生，产生道为以1 7 ，6 石? ，癌n ? ； ? 与规范玻色子的关联产生，产生道为n y ( 矿= g ，缈+ ，z ，y ) 。我们的研究结果显示：在 t e v a t r o n 上，只有n ? j 亭的产生截面较大，截面可达几百个f b ，甚至几个p b 的量级。按 t e v a t r o n 的年积分亮度1 0 拍一1 计算，每年可得到1 0 4 个事例数。其它产生道的截面都很小 ( 比n ? g 的产生截面小两个量级以上) ，我们无法在t e v a t r o n 上通过这些道来探测中性 t o 口一p i o n 介子。即将运行的l h c 将为探测中性t o p p i o n 介予提供良机。在l h c 上，这些 产生道的截面将大大增加。最有希望探测到玎? 信号的过程是矽一n 冶，它的产生截面为 几百个p b 。其次是即一棚? 及即一t 讯? ，对于轻的中性t o p p i o n 介子，它们的产生截 第四章强子对撞机上中性i o p _ p i o n 介子产生机制的研究 面可达几百个f b ，甚至几个p b 。2 0 0 7 年l h c 上的年积分亮度将达1 0 0 仍，如果t c 2 模型 征确，通过以上三个产生道，在l h c 上会有】0 4 1 0 7 个中性t o p p j o n 事例产生。在l h c 上，通过刀一n ? + 过程能产生几百个事例数，而即一? z y 及p p 一6 石? 的产生事 例数更少。强子对撞机的反应背景较大，因此，我们无法在l h c 上通过这些道来探测中性 t o p p io n 介子。 以上各过程在强予对撞机上产生? 的事例数目不等，各过程又有不同特征，在探测中 性t o p p i o n 介子中扮演不同角色：( 1 ) n ? 占产生道的产生截面最大，对于轻质量的n ? ， 该产生道的产生截面比s m 或m s s m 中h i g g s 粒子类似产生过程的截面大一、两个量级，且 n ? 一癌是轻n ? 的主要的衰变方式，这是个味改变的过程，因这个过程的背景干净，产生 的事例数多，随着实验上识别底夸克能力的提高和重构技术的改进，这个产生道最有可能 探测到h ? 。( 2 ) f m ? 和愿? 的产生截面其次，而且通过实验对这个过程的精确测量也会 为我们进一步研究f m ? 和f 石n ? 的耦合提供有用信息。需要强调的是，即一阅? 过程在寻 找中性t o p p i o n 介子中扮演着重要角色。因为s m