（理论物理专业论文）高能直线对撞机上中性toppion的探测.pdf

摘要 粒子物理的标准模型( s m ) 已被大量的精确实验所检验，但标准模型通过引入一 个基本的标量希格斯场( h i g g s ) 使电弱对称性破缺，并使费米子和电弱规范玻色子获 得质量，但该机制不能解释质量产生的动力学机制，并且还由此产生了平庸性和不自然 性等问题。因此，标准模型可能是一种低能有效理论，超出标准模型的新物理有可能在 t e v 能标附近存在。 t e c h n i c 0 1 0 “t c ) 模型是由w e i n b e 玛和s u s s k i n d 引入的新的强相互作用理论，该 理论提出了一种新的电弱动力学破缺的可能机制，巧妙地解决了s m 中的一些理论问 题。这种模型在过去几十年中获得了充分发展。在上个世纪9 0 年代，一种新的动力学 一t o p c o l o r 被引入到了t c 理论中，这一新的理论被称为t o p c o l o r 辅助的t e c l l n i c 0 1 0 r 模 型( t c 2 模型) 。t c 2 模型既给出了电弱破缺的动力学机制，又解释了重的t o p 夸克的质 量问题，是一较为理想的t c 模型。t c 2 模型最基本的预言是在几百个g e v 能区存在 三个p s e u d o g 0 1 d s t o n e 玻色子，称为t o p p i o n 介子：兀，n ? ，这三个粒子的存在被 认为是t c 2 模型的典型特征。所以，在高能对撞机上探测t 叩p i o n 介子是检验t c 2 模 型的较好方法。人们对t c 2 模型中t o p - p i o n 介子的产生机制开展了大量的研究工作， 以期为实验寻找t 叩一p i o n 介子提供有价值的理论指导。我们在这方面开展了一些研究工 作。 在工作部分，我们在t c 2 模型下讨论了中性t o p p i o n 的产生过程p + p 一。y 。p 。n ? 。 结果表明：产生截面随参数的增大丽减小，但变化不是很敏感，产生截面随质心能量 的提高而明显增加，产生截面对t o p - p i o n 介子的质量m n 很敏感。在m n “3 5 0 时，由 于顶夸克三角圈图的贡献出现一个峰值。在各种中性t o p p i o n 的产生道中，味改变衰变 道n ? jf ；，由于背景清晰，是探测中性t o p p i o n 的最佳道。本文我们还计算了入射的 正负电子在极化状态下的产生截面，该过程要求正负电子的自旋方向相反，当电子自旋 向上，正电子自旋向下时，截面在o 1 f b 量级，大约比相反情况大三个数量级，比未极 化时大一个数量级。因此，提高质心能量和采用极化入射粒子能提高寻找中性t o p p i o n 介子的可能性。我们的研究为未来直线对撞机寻找中性t o p - p i o n 介子提供了一种可能途 径。 关键词：标准模型，人工色理论，顶色辅助的人工色理论，t o p - p i o n 介子，产生截面 规范玻色子。 l l a b s t r a c t t h es t a l l d a r dm o d e i ( s m ) o fp a r t i c l ep h y s i c s ；sag a u g et h e o r yw h i c hh a sb e e nt e s t e db ym a n y e x p e r i m e n t saf u n d a m e n t a ls c a l a rh i g g s6 e l d ，i n t r o d u c e di nt h es m ，i sn o to n i yr e s p o n s i b l ef o rt h e e l e c t r o w e a ks y m m e t r yb r e a k n g ( e w s b ) b u ta l s oa c c o m m o d a t e sf e r m i o na n dw e a kg a u g eb o s o nm a s s e s h o w e v e r ，吐1 es mc a nn o te x p ia nt h ed y n a m j c sr e a s o nf o rt h eg e n e r a 虹o no fm a s s e s f u r t h e m l o r e ，t h e s c a l a rs e c t i o ns u f 诧r sf r o mt h ep f o b l e m so ft h et r i v ia l i t ya n du n n a t u r a l n e s s t h u s ，t h es mi sl i k e i ya n e f f e c t i v e 矗e l dt h e o r yb e l o ws o m eh i g h - e n e 唱ys c a l e s o m en e wp h y s i c sb e y o n dt h es m m j g h tb ee x i s ta t e n e r g ys c a l e sa r o u n dt e v an e ws t m n gd ”a r n i c st h e o r y ，t e c h n i c o l o r ( t c ) m o d e li n 廿0 d u c e db yw e i n b e 唱a n ds u s s k i n d ，o f 诧r s an e wp o s s i b l em e c h a n i s m so fe w s ba n ds o l v e st h ep m b l e m so ft h es mn e a t l y t h i sk i n do fs t m n g d y n a m i c a lm o d e lo fe w s bh a sb e e nw e l ld e v e i o p e di nt h ep a s td o z e n so fy e a r s a si a t ea s19 9 0 s ，w e a r f i v e da tav i a b l em o d e l ，c a l l e dt o p c o l o r _ a s s i s t e dt e c t u l i c 0 1 0 r ( t c 2 ) m o d e l ，j nw h i c han e ws 仃o n g i n t e r a c t i o n ，t o p c o l o r ，c o e x i s t sw i mt e c h n i c o l o r t h et c 2m o d e ln o to n l yp r o v i d e sad y n a m i cm e c h x 第一章0 j 吉 第一章引言 物质基本结构和相互作用规律的学科，是物理学最活跃的前沿学科之一。人们试图 从各个不同的方面，用各种不同的理论来论述基本粒子的规律。在多种多样的基本粒子 理论中，理论居于主导地位。建立一个普遍的物质理论是物理学家的一个梦想，为此， 物理学家进行了大量的研究对称性，提出了大胆的设想。上世纪五十年代到七十年代之 间，理论物理界取得了巨大成就。1 9 5 7 年杨振宁和李政道发现了宇称不守恒，完善了 基本粒子的时空对称性理论；1 9 6 5 年格尔曼( g e l l m 釉) 的么正对称理论，预言了夸 克的存在，从此进入了基本粒子的新时代：1 9 7 9 年格拉肖( g l a s h o w ) 、温伯格 ( w e i n b e r g ) 和萨拉姆( s a l a m ) 建立了弱电统一规范理论，创立了量子色动力学， 开始了规范理论统治的局面。 自然界存在四种相互作用：电磁相互作用，弱相互作用，强相互作用，万有引力相 互作用。长久以来，物理学家一直致力于用一个统一的规律来描述这四种基本的相互作 用，他们进行了多方面的研究，其中取得重大进展的是规范场理论。在杨振宁等 1 提 出的规范场理论中，为使描写粒子间相互作用的拉氏量对定域规范变换具有不变性，必 须引入规范场，从而解释了相互作用的来源，各种场与规范场的耦合形式由定域规范不 变性所完全确定，使理论成为相互作用统一理论的基石。弱电统一理论 2 ，3 ，4 是 s u ( 2 ) o u ( 1 ) 规范场论，量子色动力学是s ，( 3 ) 5 规范场论。由于弱电统一理论的成 功，而量子色动力学又是强相互作用的唯一候选者，人们把这二者结合起来，构成 s u ( 3 ) 圆s u ( 2 ) o ( ，( 1 ) 规范场论，人们把其称为标准模型嘶) 。 二十世纪下半叶，粒子物理的最大成就就是建立了标准模型。它是迄今为止公认的 最好的描述弱，电，强三种相互作用的理论，很好地描述了基本粒子及相互作用的唯象 学。在标准模型中，粒子可分为三类：费米子，中间矢量玻色子和希格斯粒子( h i g g s ) 。 费米子是构成世界物质的基本单元，包括夸克和轻子。中间矢量玻色子包括 y ，缈+ ，一，z o 粒子，胶子舀它们分别传递电磁相互作用，弱相互作用，强相互作用。在 最小标准模型中引入一个h i g g s 二重态中 6 ： 中；去 第章，川苦 并引入。场自作用势： 矿) = 一一2 旧l2 + 五l f 4 ( 1 2 ) 由此导致 ；去v 2 o ，v = ( 配r v 2 * 2 4 6 ge v ，从而使得电弱对称性s u ( 2 ) 。u ( 1 ) 自发破缺到电磁对称性u ( 1 ) 。在最初的四个自由度中，有三个被形i 和z o 吸收，并使 + ，z o 获得质量，剩余一个自由度对应于物理上的h i g g s 粒子h 。标准模型又引入 h i g g s 粒子和费米子汤川( 止a w a ) 耦合，使得费米子获得质量。 标准模型自建立到现在的几十年里，已被大量的实验所证实。例如1 9 7 4 年，规范 玻色子w ，z 的发现【7 ，粲夸克( c h a 肌) ，底夸克( b o t t o m ) 的确认以及顶夸克( t o p ) 被 实验组c d f ，d 驴发现 8 】等。这一切都表明，标准模型已取得了巨大的成功，可以说它的 理论框架是非常完美的。 标准模型虽然取得巨大的成功，但仍存在许多不完善的地方。为了产生 s u ( 2 ) o u ( 1 ) 对称性的自发破缺，人们在标准模型中引入了h i g g s 场，但也由此导致了 标准模型的平庸性和不自然性等问题。h i g g s 是标准模型中唯一的非规范相互作用部分， 它破坏了理论的统一性，而且标准模型中的大部分自由参量来自非规范相互作用。由于 迄今实验上还未发现h i g g s 玻色子，人们有理由怀疑标准模型的基本标量场部分，并寻 求令人满意的电弱对称性自发破缺机制。 由于标准模型中存在一系列问题，人们普遍认为，它只是一个低能有效理论。为了 寻找一个更为基本的理论，人们又提出了许多超出标准模型以外的理论( 统称新物理) 。 主要从两个不同的方向进行了尝试：一是引入超对称性，保留基本标量场的特性，用 h i g g s 玻色子对应的超对称伙伴的贡献来消除标量场自能的二次发散，从而克服了不自 然性问题。有代表性的理论是超对称模型 9 。二是在电弱理论中完全摒弃基本标量场 部分，借助某种费米予的真空凝聚( f f ) o 来使s u ( 2 ) o u ( 1 ) 的规范对称性发生自发 破缺 1 0 ，这称为动力学对称性破缺 1 1 。近年来人们极为关注的t c 理论是由温伯格 ( w e i n b e r 空) 在1 9 7 6 年提出 1 2 的。在第三章中，我们将详细阐述t c 理论的基本思想， 并对典型的t c 2 模型进行概述。 在t c 理论中，目前人们研究最多的一种是由h i l l 等人提出的t o p - c o l o r 辅助的 t e c l l l l i c o l o r 模型，简称t c 2 模型【1 3 】。t c 2 模型成功地解决了其它类q c d 模型对参量s ，t 2 第一章0 l 自 的贡献与实验相矛盾以及重的顶夸克质量问题，并模型预占了i 个赝哥尔斯通粒子 ( t o p p i o n s ) 的存在，如果这些新粒子被发现了，将为t c 2 模型提供直接的证据。文献【1 4 研究了一个味改变的中性t o p p i o n 的产生过程p + 口一寸r c n ? ；文献 1 5 】研究了中性 t o p p i o n 与费米子对的协同产生过程p + p 一斗，n ? ( 厂= “，d ，c ，s ，r ，6 p ，f ) ：文献【】6 】研 究在e y 对撞机上中性t o p - p i o n 的产生过程p 一，斗8 一n ? 。本文将重点研究未来直线对撞 机上通过e + p r 屹k 兀? 探测中性t o p p i o n 的可能性。 本文的结构为：第二章我们将对对撞机及对撞机上的实验进行简单介绍，第三章简 单介绍了t c 理论的基本思想，并对t c 2 模型进行了综述，第四章是工作部分，系统地 研究了中性n ? 的产生过程p + p 一斗v 。v 。n ? ，第五章进行了简单总结与展望。 第二章对掩机及对掩机的实验 表2 1 表列山了部分已经建成的主要对撞机 对撞机名称对撞机类 对撞机能量对撞机亮度研究内容建成时间 型 b e p c 2 ( 2 2 2 8 ) g e v1 1 0 3 1 c 聊2 s 一1 j q d s o 1 9 8 8 e + 一p 一 l e p p + 一8 2 x f 5 0 1 2 0 ) g e v 1 1 0 ”c 聊一2 s 1 h i 9 9 8 1 9 8 7 s l c e + 一e 一 2 5 0 g e v 5 1 0 3 0c 卅- 2 s 一1 n g g s ，b 1 8 8 6 t e v a t r o n2 1 0 0 0 g e v 1 x 1 0 3c s 一 h i g g s 1 9 8 6 p p 2 5 1g e v 3 l o 3 0 c 川2 s 一1 t 0 p 夸克 1 9 7 3d o r i s p + 一已 七十年代中期，德国在汉堡建成d o r i s ，当时设计的主要物理目标是寻找顶夸克。但 在这个机器上并未能找到顶夸克，而得到了实验上的一个重要发现发现胶子。由三 喷注现象发现胶子，喷注为强子作用的场粒子( 胶子) 的存在提供了直接证据。美国费 米实验室( t e v a t r o n ) 的对撞机是世界上能量最高的对撞机。一九九四年在这台机器上找 到了顶夸克，一九九五年在三；2 5 1 0 ”c m j 1 时，测得顶夸克得质量为： m ，= 1 7 6 1 3 g e v ( c d f ) 。 目前，国际上主要有两种类型的对撞机：强子对撞机和直线对撞机( l c ) 。在寻找 h i g g s 粒子和新物理方面，强子对撞机是一个非常有用的工具，但是由于强子对撞机的 背景很大，所以不十分理想。直线对撞机具有低强子背景的优点，因此，直线( l c ) 对撞 机是研究标准模型和超出标准模型的新物理的理想实验室。而且，与强子对撞机相比， 它具有许多优越性： a 对撞粒子的质心能量是可调的。 b l c 对撞机要比强子对撞机上的事例清晰的多。 c l c 对撞机上的光束是可极化的，利用极化光束我们不仅可以探测基本耦合的自 旋结构，减少精确测量中的对称性错误，而且还可以为某些道( 例如：手征超对 称粒子s p a n i c l e s 的产生) 提供有效的亮度。最重要的是使得某些过程中来自 w w 玻色子对的背景减少了。 d 对于质量不太大的粒子，l c 上的测量要比强子对撞机上的精确得多。而且，标 准模型中的h 培g s 粒子一直未在强子对撞机上探测到，我们有望在l c 上探测到 第二章对撞机及对掩机的实验 酬2 1p + p 一 的截面的变化的曲线圈 从g + p 一一矽截面图上，可以得到 1 7 规范玻色子z 的质量： m = = 9 1 1 8 6 7 2 1 m e v 标准模型给出树图级规范玻色子z 衰变味费米子对的衰变宽度： r ：c 纂j ) z + ( g i ) 2 z _ ， 2 4 、2 万 规范玻色子z 的总宽度为： l = 2 4 9 3 9 9 2 4 m e v 规范玻色子z 衰变的部分衰变宽度： r o j v v ) 兰1 6 7 2 5 m e v r f z 斗p + p 一) j8 4 0 1 m e v r 0 - “) ；3 0 0 3 0 m e v r ( z d d ) 三3 8 3 1 0 m e v 第二帝对掩机砹对撞机的实验 e = 1 ，5t e v ， i 加1 0 0 加叫 叫， j l cf a c f aj i o mt j n e a rc o l l i d e r1 = i 本高能研究所的k e k 计划建造。个直线对撞机儿c ，其质心能量的范围是： 2 0 0 5 0 0g e v ，积分亮度与n l c 的相当。j l c 质心能量的变化范围正好填补了 l e p 和t e s l a ( n l c ) 两个对撞机之问的能量问隙，使人感兴趣的厅的产生域值 也正好包括在j l c 的质心能量变化范围，这 e 常有利于顶夸克的深入研究。 t e s l a 是建设中的新一代直线对撞机，由于采取了低温超导等特殊技术和设备， 具有许多技术上的优势和特点，使它成为进一步检验标准模型和探索新物理的理想对撞 机。 t e s l a 具有下列特点【2 1 ： 1 质心系能量高，分布范围广。t e s l a 质心系能量可以从9 0 g e v 到1 t e v ，一些 重要的过程均在此范围内。如：过程e + p 一斗z 日在质心系能量5 0 0 g e v 时，截面为 1 0 0 f b 。 2 高亮度。t e s l a 在质心系能量为5 0 0 g e v 时，亮度为3 4 1 0 ”c m 。s ，t e s l a 中由于作用点较小，束流集中，可使亮度增加2 倍，可精确测量各种过程。 3 高精度。t e s l a 质心系能量可做到e e 1 0 一，绝对亮度的测量误差为o 1 ， 且能量分布和亮度谱均可精确测量。 4 高极化率。在t e s l a 的入射束中，8 0 电子和4 5 6 0 正电子被极化，极化率 测量精度达9 9 5 。极化入射束粒子可使对撞实验提高对新物理效应，不对称性及g 逗a z 计划中s i n2 乱等的测量精度。 5 多用途。在l c 的基础上，还可以建造对撞机和p ，对撞机，这两种对撞机对 于探测电弱对称性自发破缺机制和新物理也非常有用。 t e s l a 可进行大量的高能实验，主要的新物理实验有以下几种： 一超对称理论 2 2 标准模型理论上的一个重要扩充就是与规范对称统一性相关的超对称理论。这种对 称理论认为物质和力是可以统一起来的。并且理论预言存在一系列中性和带电的h i g g s 粒子。最轻的h i g g s 质量1 5 0 g e v 。撮重的h i g g s 粒子的质量可达到电弱对称破缺标 度的量级。理论还预言存在许多新的粒子，如s l e p t o n s ，s q u a r k 。最简单的超对称状态 1 2 第一章对撞机及对撞机的实验 是色单态【2 3 】的g a u g i n o ，h i g g s i n o 态，它们的质量大约在1 0 0 g e v 。因此，寻找这些超对 称粒子是未来直线对撞机的重要任务之一。 _ 二双h i g g s 模型 2 4 】 标准模型中只有一个h i g g s 二重态，现在实验上还没有提供关于h i g g s 本质的信息。 因此，将标准模型中的一个h i g g s 二重态扩充到多个h i g g s 二重态是可能的，它不会与 现有的实验产生矛盾。标准模型的最简单的扩充就是增加一个h i g g s 二重态，其它部分 保持不变，这就是双h i g g s 模型。与最小超对称模型( m s s m ) 2 5 】相似，都存在两个 h i g g s 二重态。在对称性破缺之后，其中三个自由度变为规范玻色子的纵分量，而余下 的五个变为五个物理粒子， o ，日o ，爿o ，日2 ，其粒子谱与最小超对称相似，但少了与之 相应的超对称伙伴。在双h 蟾g s 模型中，理论对m ，的质量并无严格的限制，最近，文 献 2 6 】给出m 。+ 肘。9 0 g e v 。当然，可以设想m p 较轻，而其它粒子较重，这种假设 虽然引起了许多科学家的争议，但也不能排除这种可能性。文献 2 7 】研究表明：在质心 能量足够高时，p p 一_ 爿。爿o z 最大散射截面o 5 f b ，这在实验测量上来说并不十分理想， 但这也为人们提供了一种寻找较轻4 0 的方法，为寻找新物理提供了新的线索。 三新的强相互作用 如第一章所述，在电弱理论中完全摒弃h i g g s 场部分，通过引入一种新的强相互作 用来破缺规范对称性，这称为动力学破缺。有关这方面的物理在第三章我们将作详细的 介绍。 综上所述，我们可以在未来的直线对撞机上对标准模型进行精确检验，另外，未来 的直线对撞机还为我们探测超出标准模型的新物理提供了广阔的空间。因而，可以说未 来的直线对撞机是一个很好的物理实验室。 第三章人t 色理论( t e c h n i c 0 1 0 r ) 简介 岍= m o( 3 2 ) 使得整体味对称性发生动力学破缺： s u ( 2 ) ros u ( 2 ) r u ( 1 ) ， s u ( 2 ) 。ou ( 1 ) 。 ( 3 3 ) 按照哥尔斯通定理，此过程形成了三个无质量自旋为零的哥尔斯通玻色子。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，手征对称性的自发破缺使电弱规范对称 性破缺到电磁对称性，三个无质量的哥尔斯通玻色子被w ，z “吃掉”从而使规范玻色 子w z 获得质量。 尽管t c 理论使规范玻色予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。为解决此问题，人们引入了e x t e n d e dt e c i l i l i c o l o r ( e t c ) 理 论 3 5 ，即把t c 的规范群s u ( m ) 置入一个更大的群s u ( w + m ) 中，在标度人e 处 ( a ， a 。) ，s u ( m 。+ ) 破缺为s u ( m 。) 。在此破缺过程中，产生了有质量的e t c 规范玻色子。e t c 规范玻色子的交换导致四费米相互作用，使普通费米子获得质量。 其中“对角”e t c 规范玻色子的交换使t c 费米子，普通费米予分别发生自相互作用，“旁 路”e t c 规范玻色子的交换使t c 费米子与普通费米子之间发生相互作用( 如图3 1 ) 。 重量量 图3 1 普通费米予和t c 费米子通过e t c 规范玻色子的耦合 凡l i h f n 图32e t c 理论中普通费米子质餐的产生机制 由于“旁路”e t c 规范玻色子的交换，t c 费米子与普通费米子发生如图3 2 所示 的相互作用。在能标a 。处，t c 作用加强，t c 费米子发生凝聚，从而给出普通费米子的 质量： i5 第三章人丁色理论( t e c h n i c o l o r ) 简介 米子质量提高到几个g e v 。 后来l a l l e 等人提出多标度“走动”人工色理论，通过手征对称性的多次破缺实现 “走动”机制以产生不同的费米子质量。 3 2t c 理论的发展 个理论自提出到完善，都需要经过许多科学家的不懈努力，t c 理论也不例外。 自1 9 7 6 年由s w e i b e 嘻等人提出t c 理论之后，在科学界引起极大的反响，物理学家对它进 行了大量的研究，理论得到了不断的改进，使得它成为电弱对称性破缺机制最有希望的 后选者之一。 最简单的类q c d 的t c 理论以非常简明的方式使规范玻色子获得了质量，并从根本 上避免了h i g g s 玻色子所带来的不自然性，平庸性等问题，但是它不能产生普通费米子 的质量。为此，人们提出了e t c 理论【3 8 】，e t c 理论在产生合适的普通费米予质量的同 时，也引起了过大的味改变中性流( f c n c ) 。于是，人们又在理论中引入“走动耦合” 机制，以便解决此模型中的味改变中性流问题，并在此基础上提出了一代人工色模型 3 9 。 3 2 1 原始的一代t c 模型( 0 g t c m ) 4 0 一代t c 模型是较早提出的一种t c 模型。在0 g t c m 中存在一代t c 费米子 = 隘之麓： n s ， ( 仁1 ，2 甜= 1 ，2 ，3 ，4 ) 。这些t c 费米子处于t c 规范群s u ( n t c ) 的基础表示中。t c 所产生 的凝聚 ( 声2 f 腰) = 万。j 叩3 ( 3 9 ) 使整体手征对称性发生破缺s u ( 8 ) 。os u ( 8 ) 。斗s u ( 8 ) 。+ 。 与破缺生成元对应有6 3 个 哥尔斯通( g o l d s t o n e ) 玻色子 n 。珂r7 儿f ( 3 1 0 ) 6 3 个g 0 1 d s t o n e 玻色子中，有三个被w ，z 吃掉，剩下的6 0 个获得质量成为赝哥尔斯通 粒子( p g b s ) 。 在o g t c m 中，我们假设 ( 秽( ，j ) = ( 硭蟛) = ( 群彰) = ( 髟彰) ( 3 1 1 ) 第三章人二【芭型论( 1 0 c h 州c o j o r ) 简介 n ：q y ，九f 。q n 。q y 5 五。q n j 酉，r + q n j 西5 f 3 q( 3 1 5 ) n i r 去( 1 一，) r + 兀：云，5 f 3 上 兀o 虿y 5 q 一3 r y ，三 这里q 为t c 夸克，l 为t c 轻子，五。为s u ( 3 ) 。生成元，为泡利矩阵。被w ，z 吃 掉的三个n g b 是p g b s 的线性组合。p g b s 的质量本征态与n g b 正交，并主要来自t c 轻子部分，。融，n ，露。 a p p e l q u i s t - t e m i n g 模型给出了与电弱精确测量基本吻合的s 参数值，在考虑轻子 部分对参数t 的贡献时。文献 4 2 已经证明a p p e l q u i s t t e m i n g 人工色模型产生的弱电参 数t 值为：o 3 8 ， ，l 。 1 q 篓兰三璺望堡! 旦! 塑! ! ! ! ! ! ! 堕坌 l r 模型的e t c 群为： g e t c = s u ( n e t c ) 1os u ( n e t c ) 2 ( 3 1 7 ) n e r c = n t c + 3 + n l e t c 的耦台常数为g ，g ：，在能标m 。处，s u ( n 眦) 。s u ( n e t c ) ：破缺到s u ( n e t c ) 。， 在标度m r f 。，三个吃掉的n g b 主要由甲组成， 为简单其阳：j ，我们忽略y ，q ，上之间的混合，即三个吃掉的n g b 由甲组成，物理的p g b s 由q ，l 组成，其中有三个中性的s u ( 3 ) ，s u ( n 。) 单态的p g b s ： 兀；玩7 ，u 。一砭y ，d 。 n ：n y5 n e y5 e n 。，院，；u 。+ 巨，喀) 一。圆，+ 吾)( 3 2 1 ) 这三个p g b s 是质量最轻的粒子，它们的质量在1 0 0 - 3 5 0g e v 之间，最有可能在p + p 一对 撞机上发现，因此它们在粒子谱中占很重要地位。 】9 9 5 年，c d f 和d 口实验组发现了标准理论预言的顶夸克 4 5 ，4 6 ，t 夸克的质量 m ，= 1 7 4 3 3 - 2 4 o g e v 4 7 ，接近于电弱对称破缺标度v = 2 4 6 g e v 。为了解决重的顶 第二章人丁也理论( t c c h n i c o i o r ) 简介 夸克质量问题，1 9 9 5 年，h 订1 等人提出了一种t o p c 0 1 0 r 辅助的t e c h n i c o l o r ( t c 2 ) 理 论 4 8 。它是目前人们最感兴趣的也是被研究的最多的一种人工色理论，下一节对该模 型作详细的介绍。 3 3 顶色辅助的人工色理论 前面提到几种t c 模型，经过不断改进，仍存在或多或少的问题，比如不能给出足 够重的顶夸克质量。人们曾试图用顶夸克凝聚来解释重的顶夸克质量和电弱对称性破缺 问题。在能标a ，处，一种新的强相互作用t o p c o l o r 产生何) ，为使在低能情况下与标准 模型相符，需要a ，l o ”g e v ，因此顶夸克凝聚模型中存在不自然性问题；同时，此模 型预言的顶夸克的质量在2 0 0 g e v 以上，这与实验测量值不符。顶夸克凝聚模型有此缺 点的原因主要是顶夸克凝聚既产生顶夸克质量又负责全部的电弱对称性的自发破缺。为 解决此问题，1 9 9 5 年，h i l l 等人提出了一种t o p c o l o r 辅助的t e c l l n i c 0 1 0 r ( t c 2 ) 理论 4 8 。 t c 2 模型的基本思想是： l 电弱对称性破缺主要由t c 相互作用产生，t o p c o l o r 相互作用的贡献很小。 2 e t c 相互作用产生第一代，第二代费米子和第三代轻子的质量，并产生顶夸 克质量的一小部分跏，。 3 t o p 夸克质量主要由t o p c o l o r 相互作用产生，即( 1 一g ) 码。 4 底夸克质量主要由e t c 相互作用和s u ( 3 ) 中的i n s 切n o n s 产生。 在1 t e v 标度，t c 2 模型具有下面群结构 4 8 ； s u ( 3 ) os u ( 3 ) ：ou ( 1 xou ( 1 ) bos u ( 2 ) 。s u ( 3 k 。ou ( 1 ) 。( 3 2 2 ) 这里s u ( 3 ) 。o u ( 1 ) 。只与第三代耦合，而s u ( 3 ) ：o u ( 1 ) 。只与第一、二代耦合。 u ( 1 ) x ，u ( 1 ) 。：强于标准模型中的u ( 1 ) 。，s u ( 3 ) ，ou ( 1 ) 。，足够强可产生( 厅) 。在t c 2 模型 中，t c 不仅引起电弱对称性破缺，而且使t o p c o l o r 破缺到q c d 和u ( 1 ) 。，即： s u ( 3 ) 。os u ( 3 ) ：固u ( 1 ) h 固u ( 1 ) k + s u ( 3 ) q 。 u ( 1 ) 。 ( 3 ，2 3 ) s u ( 3 ) ，s u ( 3 ) ：的耦合常数为 ， ：，规范场为一0 ，爿毛。u ( 1 ) 。，u ( 1 ) 。的耦合常数为g ，目：， 规范场为b 。，曰：。仿照标准模型，我们引入混合角口( ) ，它们的定义为 c o t 目= h h ：，c o t 日。= g q ：，设g ，g 分别表示q c d ，u ( 1 ) 。在a ，。处的耦合常数。与标准模 2 l 第蛐章中性t o p p l o n 介了产生过程p + p 斗t i ，n ? 的研究 zz 讥1 r 甜镰1 r 冉弭i l j ? 7 i z 钳；锯r - 玑，铒q c e 羽 z t z j 1 1 r ；i 一一? 7 以i t ，j ib 卜 、， 、， v 1 1 z z z ”对le 一| - i4 n f 、i i i ? 如 z ； s + ；：犷，一 ， 粤一一一 一 ， 爹爹1 ：? l l ? t l 卜 n ：】 ， 图4 1 中性t o p p i o n 与规范玻色子对通过夸克三角幽进行耦台的费曼图 e ，是标准三点函数，s 。= s i n 吼，c 。= c o s 占。( 巩是温伯哥角) p + ，p 一，也，u 。，丌? 的动量分别表示为p 。，p 。，乜，p 。，p s 。 由于存在以上耦合方式，中性t o p p i o n 可通过8 + 8 一斗屹i ，。兀? 产生。在t c 2 模型中， 中性t o p p i o n 与规范玻色子无树图耦合，因此，该过程只能在单圈水平上发生，相应的 费曼图如4 2 所示，产生振幅的表达式如下： 鹕p q 章中降t 叩p i o n 介了产生过程p + p 呻r i ，兀? 的研究 4 s ：0 ( p ：) ，。( p ，) ；( p ，) ( 1 一y ，) u ( p 。) 】) ( 4 7 ) 分别对应刁i 同的道，上式中的常数有： 一= 宰m 毒g + g ( 幽，m 。) g ( p 。，m ，) 疋2 五基m ；g ；卅? t a n ( 1 一占) g ( p 。：，m 。) g ( p 。，m ：) 骂2 话专考矛肘毒g ；胧卫a n 麒1 一力g ( 目。，o ) g ( p ，吖：) g ( p ，m ) ：0 丁是相应粒子的传播子。因此，总的产生振幅为 p 一聊 m = m l + m 2 + m 3( 4 8 ) 利用此式，很容易求得产生截面。 在计算中，输入参数取值分别为：m t 一1 7 4g e v ，m b = 4 9g e v ，m z 一9 1 1 7g c v ， m w 2 8 0 4 g e v ，v t 2 6 0 g e v ，s ：= o 2 3 ，r z = 2 4 9 5 2 g e v 。产生截面与三个自由参量有关： t o p - p i o n 的质量m n ，质心能量山和参数s 。由于t o p p i o n 的质量在几百个g e v ，我们 取1 5 0g e v 三m r i 兰4 0 0g e v 。为观察s 对产生截面的影响，我们分别取s = 0 0 3 、o 0 6 、 o 1 。考虑到未来直线对撞机能达到的质心能量，分别取6 = 5 0 0g e v ，8 0 0g e v ，1 6 0 0 g e v 。 在该过程中，s 道的z 传播子会产生共振效应。因此，在计算中我们考虑了z 衰变 宽度的影响，即在z 传播子中，我们用m ；一1 1 1 z m ：来代替m ；。由于共振效应的存在， 使产生截面大大提高。图4 - 3 为截面随m 。变化的情况。结果表明：产生截面随e 的增 大而减小，但变化不是很敏感，产生截 1zm：来代替m；。由于共振效应的存在， 使产生截面大大提高。图4-3为截面随m。变化的情况。结果表明：产生截面随的增大而减小，但变化不是很敏感，产生截面对m 。很敏感。在m n * 3 5 0g ev时，由于顶夸克三角圈图的贡献出现一个峰值。尤其值得注意的是，质心能量的增大能 明显提高产 第叫释中性t o p p i o n 介于产生过程e + p 斗屹zr f ? 的研究 子能改善信号和压低背景。本文我们还计算了入射工f 负电子在极化状念下的产生截面， 图4 4 ，4 5 给出了入射f 负电子在极化状态下的产生截面随m 。的变化的曲线。浚过程 要求正负电子的自旋方向相反，电子自旋向上，正电子自旋向下时，产生的截面比较大， 大约比相反情况大三个数量级，比未极化时大一个数量级。取s = 8 0 0 g “，5 = o 0 6 截面最大可达o 加。因此自旋向上的电子和自旋向下的f 电子对撞，可大大增加中性 t o p p i o n 的产生信号，为我们寻找中性t o p p i o n 提供契机。 中性t o p - p i o n 与其它费米子对厂，( 阿b ，e ) 的协同产生过程己被详细研究 1 5 】。我们 将几个主要过程p + e 一斗f 抽? ，6 ；h ? ，e + 8 一n ? 和p + p 一寸屹石。兀? 的产生截面作了比较， 图4 6 给出了详细的比较结果。在s = 8 0 0 g e v ，s = o 0 6 时，对于小的m n ，p + p 一寸f f n ? 的截面最大，并且截面随质量的增大而减小；在大多数情况下，口+ p 一，n ? 的截面 在l 如量级，比过程8 + g 一专心石。n ? 的截面要大一个量级。尽管过程p + p 一一圪石。n ? 的截 面小，由于末态只有中性t o p p i o n ，信号单一，它在寻找中性t o p - p i o n 的过程中也起着 重要的作用。另外，8 + e 一_ 屹v 。兀? 的截面比p + p 一- + v 。吒h 的截面小得多( h 为标准模 型 x 第删辛中忡t o p p i o n 介了产生过程p + p 一_ + l 二；，兀? 的研究 表4 1 ，+ 对撞机上中性t o p p i o n 的儿个主要产生过科中，通过兀? 斗f c 道每年产 生的事例，l = 5 0 0 ，6 ， 彳n = 1 6 0g e v b r ( n ? r c )p + p 一 fr n ?矿p 一+ 6 6 兀?矿p 一斗k y 。n ?p + p 一斗_ p 。兀? ( + ) 6 6 2 6 1 9 81 07 9 o 8 1 1 771 3 2 第p q 章中件叩一p i o n 介于产生过程p + e 一叶- i ，孵的研究 4 3 结论 综上所述，在t c 2 模型中，我们研究了中性t o p p i o n 介子在未柬直线对撞机t 的 产生过程p + e 一斗k v 。n ? 。p + p 一斗k v 。兀? 过程具有以下特征： 产生截面随e 的增大而减小，但变化不是很敏感；产生截面随m 。的增大而增 大，产生截面对m 。较敏感。 产生截面随质心能量的提高而明显增加，在埘。* 3 5 0 g e v 时，由于顶夸克三 角圈图的贡献出现一个峰值。 在各种中性t o p p i o n 的产生道中，由于背景清晰，味改变衰变道兀? 一即是探 测中性t o p - p i o n 的最佳道。 我们还计算了入射正负电子在极化状态下的产生截面，该过程要求正负电子 的自旋方向相反，电子白旋向上，正电子自旋向下时，产生截面比较大，大约比相反情 况大三个数量级，比未极化时大一个数量级。 因此，提高质心能量和采用极化入射粒子能提高寻找中性t o p _ p i o n 介子的可能性， 我们的研究为实验上探测t o p p i o n 介子提供了有价值的理论指导。 第州章中性t o p - p i o n 介了产生过程p e 一斗t i ，兀? 的研究 图4 4质心能量取；= 8 0 0g e v ，占= o 0 6 ，电子处于极化状态时产生截 面随们。的 第p q 帝中性t 叩p i o n 介了产生过程e + e 一斗z n ? 的研究 图4 5 质心能量取i = 8 0 0g e v ，s = o 0 6 时，正负电子处于极化状态( + 一) 时产生截面 随m n 的变化曲线以及电子未极化时产生截面的比较。 3 7 第p u 章中件t o p p i 彻介了产生过程e + e 一斗i ，兀：】的研究 图4 6 质心能量取i = 8 0 0g e v ，f = o 0 6 时，p + e 一屹i 。兀? 产生截 面( 取电子自旋向上，止电子自旋向) 与p + e 一。f _ 兀? ，6 抽? ，p + p n ? 截面 的比较。 第五市总结j 艘掣 第五章总结与展望 电弱对称性自发破缺机制是当前粒子物理中最重要的问题之一。为了揭示电弱对称 性自发破缺的本质，人们提出了各种新物理模型，t e c l l n i c o l o r ( t c ) 理论就是其中一个重 要的候选者。通过对t c 理论本身的不断研究和将模型的理论预言不断与最新的实验数 据进行比较，t c 理论也在不断完善，出现了目前较为流行的t o p c o l o r 辅助的 t e c h n i c 0 1 0 r ( t c 2 ) 模型，与实验结果无明显的不符，并解释了重夸克质量问题。因此，研 究t c 2 理论在高能实验中可能的物理迹象是当前粒子物理的重要前沿课题之一。 在t c 2 模型中，一些可能的特殊物理迹象来源于以下三种粒子； ( 1 ) 与描述t o p c o l o r 强相互作用规范群s u ( 3 ) 破缺到描述q c d 相互作用规范群 s u ( 3 ) 。，相关的色八重态规范玻色子“c o l o m n ”b ：； ( 2 ) 与描述t o p c o l o r 强相互作用规范群u ( 1 ) l 破缺到电磁规范对称性u ( 1 ) 。相关的色 单态规范玻色子z ； ( 3 ) 来源于t o p c 0 1 0