（理论物理专业论文）直线对撞机上top夸克对产生的r宇称破缺超对称效应.pdf

摘要 标准模型( s m ) 作为一个描述基本粒子理论的成功典范，已被大量的精确实验所验 证，至今没有发现存在有明显偏离标准模型的实验事例。然而，众所周知，标准模型依 然存在一些理论上的问题，如它不能解释质量产生的动力学原因，而且为解释电弱对称 破缺所引入的h i g g s 场带来了平庸性和不自然性等问题。因此人们认为在标准模型之外 可能有新物理的存在，并对此进行了很多有意义的探索。在各种新物理模型中，超对称 ( s u s y ) 模型是重要的、有希望的候选者之一。本文我们介绍了目前超对称模型中讨论较 多的最小超对称模型( m s 跚) ，然后又介绍了r 宇称。考虑r 宇称破缺后。最小超对称 模型会对一些物理量产生修正效应。 t o p 夸克是目前发现的最重的粒子，它与电弱对称性破缺部分的祸合远强于轻夸克 与电弱对称性破缺部分的耦合，因此与t o p 夸克相关的物理过程对新物理的效应非常敏 感，t o p 夸克在探测新物理方面起着重要的作用。本文也对t o p 夸克物理进行了综述。 我们在线性对撞机上，在r 宇称破缺的最小超对称模型下研究了8 + e 一寸t t 这一过程， 并考虑了入射电子束流完全极化的情况，以期为在实验上寻找超对称模型存在的物理迹 象提供有价值的理论指导。 在超对称理论中，r 宇称守恒是手放的，并不是被诸如规范不变性和可重整性这样 的基本定理所要求的。r 宇称破缺的理论也可以很好地与规范不变性、超对称性和可重 整性这样的基本定理相一致。本文就是在r 宇称破缺的最小超对称模型下，来研究线性 对撞机上，轻子数破缺的耦合对t o p 夸克对的新的产生机制，并由此对f _ 截面产生的新 贡献。由于这种新的产生机制引起的相互作用是手征性的，所以也会对t o p 夸克的极化 产尘影响，并由此造成t o p 夸克的前后不对称性。通过研究，我们发现，在允许的参数 范围内，r 宇称破缺的相互作用可以显著地改变t o p 夸克对的产生截面；同时，对t o p 夸克的极化以及前后不对称性也有显著影响。通过对比极化束流和非极化束流我们还发 现极化束流在探测新物理方面更为有利l 关键词：标准模型，t o p 夸克，超对称模型，最小超对称模型，r 宇称，极化电子束流， 前后不对称性 a b s t r a c t t h es t a n d a r dm o d e l ( s m ) i sas u c c e s s f u lp i l l a ro f at h e o r yt od e s c r i b et h ef u n d a m e n t a lp a r t i c l e s i th a s b e e nt e s t e db yal o to fe x p e r i m e n t s n os i g n i f i c a n te x p e r i m e n t a ld e v i a t i o n sf r o mt h es mh a v ey e tb e e n f o u n d h o w e v e r , i ti sw e l lk n o w nt h a tt h es ms t i l lc o n t a i n ss o m et h e o r e t i c a lp r o b l e m s i e 。i tc a l ln o t p r o v i d ed y n a m i c sr e a s o n sf o rt h eg e n e r a t i o no fm a s s e s f u r t h e r m o r e ，t h eh i g g ss e c t o rw h i c hi si n t r o d u c e d t o e x p l a i n e 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 ) s u f f e r sf r o mt h e p r o b l e m so ft r i v i a l i t y a n d u n n a t u r a l n e s s s o ，p e o p l et h i n kt h e r em a yb en e wp h y s i c sb e y o n dt h es t a n d a r dm o d e l t h es u p e r s y m m e t r y ( s u s y ) m o d e li so n eo f t h ei m p o r t a n tp r o m i s i n gc a n d i d a t e so f n e wp h y s i c s i nt h i sp a p e r , w ef i r s t l yr e v i e w t h em i n i m a ls u p e r s y m m e t r y ( m s s m ) m o d e lw h i c hi sap o p u l a rt h e o r yi nt h es u s ym o d e l t h e nw e i n t r o d u c er p a r i t yb r i e f l y w h e nt h i n k i n go fr p a r i t yv i o l a t i n g ，t h em i n i m a ls u p e r s y m m e t r ym o d e lc a l l c o n t r i b u t et os o m ep h y s i c a lo b s e r v a b l e s t o pq u a r ki st h eh e a v i e s tp a r t i c l ey e td i s c o v e r e d ，i tc o u p l e sm o r es t r o n g l yt ot h ee w s bs e c t o rt h a nt h e l i g h tq u a r k s ，t h e r e f o r e ，t h ep r o c e s s e si n c l u d i n gt h et o pq u a r ki sv e r ys e n s i t i v et ot h en e wp h y s i c s t h u s ，t h e t o pq u a r ki ss i n g l e do u tt op l a ya l li m p o r t a n tr o l ei np r o b i n gt h en e wp h y s i c s i nt h i sp a p e r ，w ea l s o s u m m a r i z et o pq u a r kp h y s i c s w es t u d yt h ep r o c e s se + e 一- - - 9t ti nt h em i n i m a ls u p e r s y m m e t r ys t a n d a r d m o d e lw i t hr - p a r i t yv i o l a t i o n w ea l s ot a k et o t a lp o l a r i z e de l e c t r o nb e a m sa st h ei n c o m i n ge l e c t r o nb e a m s i no u rc a l c u l a t i o n ，t h i sm a yp r o v i d ev a l u a b l et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o re x p e r i m e n tt op r o b ep h y s i c a ls i g n a l s o f t h es u s ym o d e l i ti sw e l lk n o w nt h a tt h er - p a r i t yc o n s e r v a t i o ni ns u s yt h e o r y , w h i c hi m p l i e st h es e p a r a t e c o n s e r v a t i o no fb a r y o nn u m b e ra n dl e p t o nn u m b e r , i sp u ti nb yh a n d t h ec o n s e r v a t i o nr e q u i r e m e n t ， h o w e v e r , i sn o td i c t a t e db ya n yf u n d a m e n t a lp r i n c i p l es u c ha sg a u g ei n v a r i a n c eo rr e n o r m a l i z a b i l i t y ，o nt h e c o n t r a r y , r p a r i t yv i o l a t i o nc a nb em a d ep e r f e c t l yc o n s i s t e n tw i t ht h e s ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e s i nt h i s a r t i c l e ，w es t u d yt h en e wp r o d u c t i o nm e c h a n i s mo f t h el e p t o nn u m b e rv i o l a t i n gc o u p l i n go n t tp r o d u c t i o n i nr - p a r i t yv i o l a t i o ns u s ym o d e lo nl i n e a rc o l l i d e r s s i n c et h ec o u p l i n g sa r ec h i r a l ，t h e s en e wp r o d u c t i o n m e c h a n i s m sw i l lm a k ev i s i b l ee f f e c t so nt o pq u a r kp o l a r i z a t i o na n dp r o d u c ea l la s y m m e t r yb e t w e e nt h e l e f t a n dr i g h t - h a n d e dp o l a r i z e dt o pq u a r k s i nt h ew o r kp a r t ，w ec a l c u l a t es u c hc o n t r i b u t i o n sa n df i n d t h a ti nt h ea l l o w e x lr a n g eo ft h e s e r - v i o l a t i n gc o u p l i n g s t h et o pp a i rp r o d u c t i o n r a t ea sw e l la st h et o pq u a r kp o l a r i z a t i o na n dt h e f o r w a r d b a c k w a r da s y m m e t r yc a l lb es i g n i f i c a n t l ya l t e r e d 。b yc o m p a r i n gt h eu n p o l a r i z o db e a m sw i t ht h e p o l a r i z e db e a m s ，w ef i n dt h a tt h ep o l a r i z e db e a m sa r em o r ep o w e r f u li np r o b i n gs u c hn e wp h y s i c s k e yw o r d s ：s t a n d a r dm o d e l ，t o pq u a r k , s u p e r s y m m e t r ym o d e l ，t h em i n i m a ls u p e r s y m m e t r ym o d e l ， r - p a r i t y , p o l a r i z e de l e c t r o nb e a m s ，f o r w a r d - b a c k w a r da s y m m e t r y l 独创性声明和论文使用授权说明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，沦文中不包含其他人已 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河南师范大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志埘本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 虢丝邋隰鲨2 ：矽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南师范大学有关保留、使用学位论文的规定即：有权保留并向国 家有关部f 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河南师 范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签名：至鱼塑4 ：红导师签名 至整童日期：盆! ，! 堑 第一章引言 第一章引言 自然界存在四种相互作用，按照相互作用强度大小，依次排列为：强相互作用、电 磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。找到可以统一描述所有相互作用的“终极理 论”是物理学家的一个梦想，其中取得重大进展的是规范场理论。在杨振宁等0 1 提出的 规范场理论中，为了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 引入辅助的规范场，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，使规范理论成为相互作用统一理论的基础。 粒子物理学中的标准模型( s m ) ，是描述强相互作用和电弱统一相互作用的 s u ( 3 ) 。s u ( 2 ) 。x u o ) ，规范理论，它由量子色动力学( q c d ) ”和电弱统一规范理论( g w s 理论) 0 3 组成。在标准模型中，粒子可以分为三类：费米子、中间矢量玻色子和希格斯 ( h i g g s ) 粒子。费米子是构成物质世界的基本单元，包括轻子和夸克。中间矢量玻色子 包括光子y 、w 1 和z o 粒子、胶予g ，分别传递电磁相互作用、弱相互作用、强相互作 用。在标准模型中，为了使电弱对称性自发破缺，还引入了基本h i g g s 标量场“1 。在最 小标准模型中引入了一个h i g g s 二重态o ： 西= 郴j mt ， 并引入m 场自作用势； y ( m ) = - b 2 l 中1 2 + a l o f ( 1 2 ) 由此导致 o - - - - - i 1v 2 o ，v = ( 互o ，) “2 2 4 6 g e v ，从而使电弱对称性s u ( 2 ) l u o ) ， 自发破缺到电磁对称f 生u ( 1 ) s m 。在最初的四个自由度中，有三个被1 和z 0 吸收，使弱 作用中间规范玻色子获得质量，剩余一个自由度对应于物理上的h i g g s 粒子。标准模型 又引入了h i g g s 粒子和费米子的汤川( y u k a w a ) 耦合，使费米子获得质量。标准模型预 言h i g g s 粒子的质量为：肌：= 2 2 v 2 ，由于a 是自由参量，所以标准模型不能预言m 的 值。 标准模型已被大量精确测量的实验数据所证实，例如：规范玻色子矿+ 、z o 的发 现“1 ，粲( c h a r m ) 夸克、底( b o t t o m ) 夸克的确认以及顶( t o p ) 夸克的发现”3 等等，使标 第一章引言 准模型成为迄今普遍公认的能最好地描述强、电、弱三种相互作用的理论。 标准模型虽然取得了巨大的成功，但还存在许多问题，特别是基本标量场的引入还 给标准模型带来下列问题： ( 1 ) 不自然性问题m 不自然性问题又称规范等级问题，是由于h i g g s 场做为基本标量场，其自能的圈图 修正是平方发散的：8 m 2 = a a 2 ，其中a 为物理的动量截断。为得到有限的质量，需要 进行质量重整化。质量重整化后得到h i g g s 粒子的物理质量历。与裸质量的关系为： 肌2 = 2 + s i n 2 = m ；+ a a 2 ( 1 3 ) 由于物理质量研。 三9 1 0 1 ：。) ! 二+ ! c r ( ( ! b ! , 堡o 三 1 9 竺0 ：。) 2 t 2 一2 )2 z ) 其中口是入射电子和出射b 夸克之间的夹角，实验测量出4 。”。= 一( 2 2 8 + 6 0 + 2 5 ) ， 而标准模型预言值为4 。“= - 0 2 5 ，因为z 6 i 耦合依赖于b 夸克的弱同位旋，所以由 以上测量值可得l = 妄霹= - 0 4 9 + 0 1 ，这说明b 夸克不属于弱同位旋单态，而应属于 ，= 去的态，这样还应该有厶= 的态，即t o p 夸克存在。因此可以推算出t o p 夸克应该 是一个色三重态、电荷q = 、弱同位旋厶= 去、自旋为i 1 的费米子。 粒子物理学中最紧迫的挑战是解释质量产生背后的动力学原因，有以下两方面【埽1 ： 电弱对称性破缺使得w 、z 玻色子获得质量；味对称性破缺把费米子按质量分为几代。 标准模型包含了一个假定的基本标量场h i g g s 场，但是这并不能满意地解释动力学原因， 并且h i g g s 部分在高能量标度遇到了问题。对此能够作出很好解释的新物理模型一个是 t c 模型，它在t e v 标度假定了一个新的强规范相互作用，t o p 夸克在这个模型中经常起 着主要作用；另外一个是超对称( s u s y ) 模型，一个新的整体时空对称性。最小超对 称( m s s m ) 给标准模型中的每一个粒子都安排了一个超对称伙伴，并预言最轻的超对 称费米子质量接近于它们的标准模型伙伴。大的t o p 夸克质量在此也起到了重要的电弱 对称性破缺的作用。所以，t o p 夸克的大质量与新物理有很大的关系。 迄今为止，只有t e v a t r o n 有足够的能量产生t o p 夸克。在r u ni 上c d f 和d 每 一个实验组的数据收集都可达6 0 0 厅对事例数。这些已经足够可以声称t o p 夸克的发 现，并且可以作一些t o p 夸克性质尤其是质量的测量。对目前正在运行的r u n i i ，到2 0 0 8 年厅事例数可以有1 0 0 倍的增长。这就可以对t o p 夸克进行更精细地测量，足以证实它 的标准模型特性。预期在2 0 0 7 年开始运行的1 4 t e v 的质子一质予对撞机( l h c ) 将给 a t l a s 和c m s 提供近八百万t o p 夸克对事例数。除了l h c ，另外一个最可能的对撞机 是5 0 0 1 0 0 0g e v 的e + e 一直线对撞机( l c ) 。与l h c 和t e v a t r o n 相比，它的f _ 产生截 面比较小，但积分亮度很大，在运行的五年内至少可产生几十万的t o p 夸克对事例数。 而且，在这个对撞机上作精确研究有两个主要的优势：第一，f - 产生是电弱过程。在这 种情况下作理论计算更精确，并且实验上没有大的q c d 背景，使得实验能更有效地进 行事例数收集。第二，由于准确地知道对撞束的质心能量，t o p 夸克将被更准确地重构。 第二章t o p 夸克物理 总之，l c 是精确研究t o p 夸克物理的比较理想的场所。然而，人们的注意力还是集中 到近来的实验上，即，强子对撞机t e v a 仃o n 和l h c 。表2 1 总结了上面提到的对撞机上 的一些关键参数。 表2 1对撞机上的一些关键参数 c o l l i d e rt e v a t r o nr u n1t e v a t m nr j l n2l j h el e 够p e坤缈印 矗 t 一 i r “np e r i o d1 9 9 2 _ l9 9 6 2 0 0 l _ 2 0 0 科? 2 0 l d 7 _ ? 衡1 5 ? - ? 霸( t e v 1 8 0 l 。9 61 4 o 。丫 五刍，h 帮 图2 2 ：强子对撞机上单顶夸克产生的费曼图 2 4t o p 夸克的衰变 在具有三代费米子的标准模型中，“1 ，因此t o p 夸克的主要衰变道为卜肋。 8 墨二里旦窆垒塑里 在树图情形下，取= m b = l ，f f - 1 时，此衰变道的宽度为； 聃w b ) = 丽q m 3 , = 1 7 6 g e v ( 2 5 ) 更精确的计算结果与之类似，当考虑了形的质量时， r ，i 盯= r d ( - 等+ 争乩s s 刚 眨e ， 如进一步考虑了b 夸克质量及辐射修正，则结果为： 一f f 2 = 1 4 2 g e v ( 2 7 ) 在标准模型中，t o p 夸克的其它衰变道比，斗肪小几个量级。所以t o p 夸克衰变的分支 比可写为： b r ( t - x x ) = 丽f ( t 专x x ) ( 2 8 ) 除t _ 嬲衰变道外，分支比较大的t o p 夸克的衰变道有c a b i b b o k o b a j a s h i m a s k a w a ( c k m ) 非对角过程f - - s w 和f 斗d w 。程一1 y 。l m0 0 4 ，i i * 0 0 1 ，可得： 耳p s w ) 1 6 x l o 。3 ，a r ( t d w ) 1 x 1 0 。( 2 9 ) t o p 夸克的二体f c n c 衰变，- c g ，f - - + c y 和t - - - c z 的单圈图因被g i m 因子孽压低 ，锯 而很，j 、汹”1 ： b r ( t 专c g ) 5 x 1 0 。( 2 1 0 ) 西o c 力z5 x 1 0 。3( 2 1 1 ) b r ( t c z ) 5 1 0 。3( 2 1 2 ) 如果h i g g s 粒子质量m r i o g e v ) b w y 1 0 g e v ) b w z 2 1 0 4 c w + w 一 1 0 一” b w + h 1 0 - 7 q g5 1 0 一” q y5 1 0 一1 3 q z1 3 1 0 1 3 e h 1 0 一。3 第二章对撞机及高能e + e - 对撞实验 第三章对撞机及高能e + e 一对撞实验 面对众多基本粒子，人们总在不断寻找揭示其真实面目的手段。粒子物理学研究构 成物质的基本粒子和这些基本粒子之间的相互作用，高能物理实验是检验粒子物理理论 和探索物质结构的重要手段。在二十世纪中叶以前，粒子物理实验主要依靠放射性物质 和宇宙射线，存在着的一个最大困难就是高能粒子束流的强度太弱。随着粒子加速器的 出现和粒子束能量的不断提高，粒子物理实验的重点转向固定靶和对撞束实验，这极大 地促进了粒子物理学的发展。对撞机在粒子物理实验中起着举足轻重的作用，它可以说 是观察微观世界的“显微镜”。下面首先对对撞机进行概述，然后对已有的和下一代的 e + e 一对撞机上的实验加以简单介绍。 3 1 对撞机简介 对撞机( c o l l i d i n gb e a mm a c h i n e ) 是一种利用两束反向运动的粒子束，来提高有效相 互作用能量的高能物理实验设备。根据相对论，两个质量为m ，动能为t 的粒子对撞，有效 作用能量等于质心系总能量，即e = 2 t 。如果一个粒子是静止的，另一个粒子一定要有 e = 2 t 2 m e 2 的能量才能达到同样大小的有效作用能量。例如，两个3 0 g e v 的质子对撞 约相当于一个1 8 0 0 g e v 质子与作为静止靶的质子相撞，这样就可以利用现有能量的加速 器实现高能物理实验。目前，对撞机大多是利用储存环把要进行对撞的粒子加速到最终 能量后储存在一个环内( 对于电荷相反而磁钢度相同的粒子，如电子一正电子) 或两个 环内( 对于同种粒子，如质子一质子) ，以实现电子一正电子，质子一质子或质子一反 质子的对撞。 对撞机也有一定的局限性，它不能进行更多种粒子的对撞实验，比起超高能加速器， 它的每秒平均事例数少，本底较强，实验技术上有更多的困难。因此定量的精细工作， 还是要利用强加速器与静止靶作用来进行，两者是相互补充的。 亮度是描述对撞机中粒子束性能的一个物理量。对撞机上每秒钟发生某一反应的次 数等于亮度乘上这一反应截面，对撞机中粒子束流越强，越细，亮度也越大。对质子束， 其亮度为： l ：n 1 n 2f 第三章对撞机及高能e + e - 对撞实验 式中，s 为束流截面， ，为各束粒子数，伪回转频率。 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，强子对撞机是一种非常有用的工具，但是由于强子对撞机的 背景很大，所以并不十分理想。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： 1 l c 对撞粒子的质心能量是可调的。 2 l c 对撞机要比强子对撞机上的事例清晰得多。 3 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 r t i c l e s 的产生) 提供有效的亮度，更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。 4 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测量精确得多。而且， 标准模型中的h i g g s 粒子一直未在强子对撞机上探测到，我们希望在l c 上能探 测到该粒子。 直线对撞机除了上述特性外，它还与强子对撞机具有互馈性。例如：如果超对称是 工f 确的，那么我们就可在l h c 上发现其所预言的粒予，在l c 上我们就可集中在某一域 值对其进行观察与精确测量。另方面，由于l h c 上的实验受最轻的超对称粒子质量 标度的影响，我们可以利用l c 上最轻的超对称粒子质量的精确测量值再反馈到l h c 上进行分析。直线对撞机和强子对撞机上的实验信息的互馈性有利于加强未来l h c 和 l c 上的项目开发与合作。下面我们主要介绍一下l e p 和s l c 对标准模型的精确检验以 及新一代直线对撞机上可能的新物理迹象。 3 2l e p 和s l c 对标准模型的精确检验 二十世纪八十年代，西欧和美国先后建成l e p 和s l c 正负电子对撞机。在此后的 几十年里，在此上做了大量的实验，产生了丰富的物理现象，极大的促进了粒子物理学 的发展，为标准模型的深入检验提供了良机。 l e p 是由多级加速器串接而成的，包括：l i l e p a p s s p s l e p ，从而成为高性能的 加速装置。l e p 有四个探测器，即：a l e p a ，d e l p h i ，l 3 ，o p a l 。l e p 实验分两个阶 第三章对撞机及高能e + e - 对撞实验 段：从一九八九年到一九九五年是第一个阶段，质心能量接近9 1 g e v ，相当于中性矢量 玻色子z 的质量，开始产生大量z 粒子：e + e 。啼z ；一九九六年蛩j = o o o 年为第二个阶段， 质心能量达至l j l 6 0 - 2 0 0 g e v ，开始产生w 粒子：e + e 一_ w 。 s l c 只有一个探测器s l d ，质心能量比较低，但采用了极化入射粒子束，亮度较高， 利用它的高量度，也开展了大量的实验，得到了极为重要的结果。下面简单介绍一下在 l e p 和s l c 上测得标准模型中规范玻色子z 和w 的一些重要结果。 一规范玻色子z z p o l e 实验是检验标准模型的一个重要环节，l e p ( a l e p a ，d e l p h i ，l 3 ，o p a l ) 和s l c ( s l d ) 合作组主要研究了e + e 一斗z o 一厂厂过程中的一些物理迹象，他们给出了一些 结果。在z 。的极点处，e + e 一寸矿的截面主要由乙的共振所决定。p + p 一一矿的截面的 变化的曲线如图如3 1 。 善” 暑 芎1 0 4 弩 6 1 0 3 1 0 2 1 0 1 t 1 3 1e + e 一寸矽的截面的变化曲线图 从p + p 一哼矿截面图上，可以得到1 2 s ) ： 规范玻色子z 的质量： m ：= 9 1 1 8 6 7 2 1 m e v 第三章对撞机及高能e + e - x e r 撞实验 标准模型给出树图级规范玻色子z 衰变为费米子对的衰变宽度： f ：c 里丝【( g j ) ：+ ( 彩) ： z - f f 2 4 、2 n 。、。 。 规范玻色子z 的总宽度为： r z = 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 ( z v v ) 1 6 7 2 5 m e v l - ( zje + e 一1e 8 4 0 1m e v r ( z _ u z f 、e3 0 0 3 0 m e v r ( z a a ) 13 8 3 1 0 m e v r ( z 专b b ) z3 7 6 0 0 m e v r ( z 峥i t ) 8 3 9 0 o 1 0 m e v r ( z 寸h a d r o n s ) ；1 7 4 2 2 3 m e v 目前的高能实验对一些可观测物理量的测量精度可达到干分之一量级，这对检验标 准模型，探索新物理提供了重要依据。下面我们依据e r l e r 分析z - p o l e 实验测量结果， 表3 1 给出一些主要的电弱可观测量的实验测量值凹】、标准模型预言值以及与标准模型 存在的偏差。 在下表中给出了电弱精确测量的一些结果： 1 5 第三章对撞机及高能e + e _ 对撞实验 表3 1 几个主要电弱可观测量的分析结果 被测量实验值标准模型的理论值标准偏差 m ： g e v 】 9 1 1 8 7 6 o 0 0 2 i9 l1 8 7 4 o 0 0 2 1 ) i 乏 g e v 】 2 4 9 5 2 士o 0 0 2 32 4 9 7 2 士0 0 0 l l m 9 盯m o n b 】 4 1 5 4 i o 0 3 74 i4 7 0 o o l o 1 9 r ： o 2 1 6 6 4 o 0 0 0 6 5o 2 1 5 7 2 o 0 0 0 1 51 1 r ? o 1 7 1 8 o 0 0 3 io 1 7 2 3 1 o 0 0 0 0 6 帕2 h ，o 。, h 0 0 9 9 5 0 0 0 1 70 1 0 3 6 0 0 0 0 82 4 彳等 0 0 7 1 3 士0 0 0 3 60 0 7 4 1 0 0 0 0 7 _ 0 8 以 0 9 2 2 00 2 00 9 3 4 7 6 0 0 0 0 1 2m 6 彳。 0 6 7 0 0 0 2 60 6 6 1 8 0 0 0 0 5 d 1 a | 。r ( h a d ) 0 1 5 1 3 8 0 0 0 2 1 60 1 4 7 8 土0 0 0 1 2 1 7 彳l r ( 1 e p ) 0 1 5 4 4 0 0 0 6 00 1 4 6 6 00 0 1 5 1 1 m ( g e v ) 8 0 4 4 6 0 0 4 08 0 3 9 1 0 0 0 1 91 4 o ( g e v ) 21 5 0 土0 0 9 12 0 9 3 3 0 0 2 4 11 2 表3 1 中第- - n 的数值为实验测量的结果，其误差包括系统误差和统计误差；第三 列为标准模型预言值，其误差来源于理论计算的不确定性；最后- - n 为物理量的实验测 量值与标准模型预言值之差与实验误差的比值。整个实验数据在取值时，取相关参数 m 日，m z ，口，m ，a n ( m z ) 为最佳拟和值3 0 】： m h - - 9 8 ，+ 5 ；g e vm t = 1 7 5 3 4 4 g e v 哎= 0 1 2 0 0 + _ 0 0 0 2 8瓦2 = o 2 3 1 1 3 0 0 0 0 1 5 a a 。o ：) = o 2 7 7 8 0 0 0 2 0 其中一些被测量值的物理涵义为： 在z 。的极点处，p + p 一专，厂的截面主要是被乙的共振所决定，当厂e 的时候，有 这样的式子： 1 6 第三章对撞机及高能e + e - 对撞实验 等= i 9 高豫队心肌杈) + 2 c o s o a f h 钏 ， 其中足是电子束流的极化率，s 是质心系能量的平方，r z 。是乞的衰变总宽度，l 和r ，7 分别是乙 e e z l f f 的分宽度，口为入射电子和出射费米子之间的夹角。 相互作用的左右不对称参数由下式给出： a s ：塾生 ( 3 2 ) 2 i ) f 2 + l a f 2 ( 3 2 ) z 。一厂7 衰变宽度由下式给出： f s 7 = 。 孚兰；考6 ，2 + 口，2 ) ( 1 + 艿。) j 。= 号饥挚 a 7 = 4 - y r v ，= 6 4 t q 小i n2 口；) 兵中2 j 7 是同位旋第= 分量，q 是费米于电荷，虬为色指标，夸克的n c 等于3 ， 轻子的卸。另外轻子的r ：2 0 ，夸克刁，。1 。 盯m 0 是蜂强子截面： 划0 幼嶷 4 ， 接下来是截面比：规范玻色子z 衰变到b 夸克或c 夸克与所有强子道的分支比： 弘苦 ， 非极化的前后不对称参数为： 硝：生 k 1 7 ( 3 6 ) 第二章对撞机及高能e + e - 对撞实验 4 毛= 精f f = 3 a , a i 妒揣 其中，g j = 2 ( g f + g ；) ，g 二= 2 ( g f - g d 分别为耦合的矢量、轴矢量常数。 二规范玻色子w 正负电子对撞机l e p 和斯坦福直线加速器( s l c ) 已经对玻色子z 进行了非常精确的 测量。另外，l e p 上给出了规范玻色子的质量为： m 。= 8 0 4 4 7 0 0 4 2g e v 标准模型的预言值为： m 秽= 8 0 ，3 9 1 o 0 1 8g e v 二者有1 3 盯的标准偏差。 若对电子和正电子建一个“旁路”通道，低能量的直线对撞机就可达到很高的亮度， 那么，在z 玻色子共振处每年就可产生1 0 9 个z 事例，从而把l e p 的事例提高了两个量 级。另外，若对初态电子和正电子加上纵向极化，由左右手不对称量： 。 2 ( 1 4 s i n2 吼) 钆5 百矿石而 测得的电弱混合顶角精确值为： 8 s i n 2 巩1 0 一1 3 1 玻色子的测量精确度可提高为： 踟。6 m e v 3 2 1 以s i n2 氏，肘，的精确测量为基础，电弱部分的其它各种精确测量都可以由此展开。 从以上的实验结果【3 0 3 1 】分析来看，绝大部分电弱可观测物理量的测量值与理论预言 值符合得很好，但还有一些存在较大的偏差。虽然，电弱精确测量说明标准模型是非常 成功的，但是，还是不能排除新物理存在的可能性。 许多超出s m 的理论在规范群破缺时，产生一个或多个额外的u o ) 群，如果其中一 个或者几个的组合在相对较低的能量下仍未破缺，则额外的规范玻色子z7 ，将会有一定 的物理效应，这可能在新一代线性e + e 一对撞机上探测到。 z 对客观测量的效应主要来源于三个方面： 1 交换虚的z 粒子改变所有粒子s 道的产生截面和不对称性； 2 如果新的规范玻色子z 和z 粒子混合，则低质量本征态和s m 中的z 粒子质量 1 8 第三章对撞机及高能e + c 对撞实验 不会重合，会有一个小的偏差； 3 由于z 和z 粒子混合，低质量本征态和费米子的耦合混有和z 7 费米子耦合的成 分，由于l e p 和s l c 实验中z 和费米子的耦合已被精确测定，所以z 和z 粒子的混合 受到严格限制。 3 3 下一代直线对撞机上的新物理 2 0 0 7 年，能量达到1 4 t e v 的质子- 质子对撞机即将运行，在这一对撞机上应该首先 发现标准模型预言的h i g g s 粒子或新物理存在的迹象，但还必须有高能量，高亮度的直 线对撞机进行精确测量。现在国际上直线对撞机的筹建方案是建造质心能量为3 0 0 g e v 到1 5t e v 的i l c ( i n t e r n a t i o n a ll i n e a rc o l l i d c r ) ，它采用了德国高能所d e s y 原计划建 造的正负电子对撞机t e s l a 的设计方案，预计在2 0 1 7 年开始运行。它的年积分亮度最 大可达5 0 0 力一y e a r 。 i l c 具有下列特点 3 2 】： 1 质心系能量高，分布范围广。i l c 质心系能量可以从3 0 0 g e v 到1 5 t e v ，一些重 要的过程均在此范围内。如：过程e + e 一专z h 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。i l c 的年积分亮度最大可达5 0 0f b 一y e a r 。i l c 由于作用点较小，束流 集中，可使亮度大大增加，可精确测量各种过程。 3 高精度。i l c 的质心系能量可做到e es1 0 - 4 ，绝对亮度的测量误差为0 1 ， 且能量分布和亮度谱均可精确测量。 4 高极化率。在i l c 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o i g a z 计 划中s i n 2 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 y 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。 i l c 上可进行大量的高能实验，主要可分为三类： 1 寻找和确定h i g g s 粒子 h i g g s 机制在s m 中起着关键作用。l e p 和s l c 实验已建立了物质粒子间相互作用 的各种性质，但h i g g s 机制仍没有得到证实，各种实验倾向于一个轻的h i g g s 粒子。假 如h i g g s 存在，i l c 可以对它进行全面的测量，确定h i g g s 粒子的质量、寿命、产生截 1 9 第二章对撞机及高能e + e 对撞实验 面、分支比、与t o p 夸克的y u k a w a 耦合和自相互作用等。除了s m 预言的h i g g s 粒子 外，其他一些超出标准模型的新物理，如超对称模型、小h i g g s 模型等，预言了多个 h i g g s 粒子，除中性h i g g s 粒子外，还有荷电h i g g s 粒子，i l c 可以对它进行全面的测量， 从而确定找到的h i g g s 粒子是否就是标准模型中的h i g g s 粒子，或是其他新物理预言的 h i g g s 粒子。i l c 对h i g g s 粒子质量的测量误差在质量为1 2 0 g e v 时，误差为5 0 m e v ： 在质量为2 0 0 g e v 时，误差为2 0 m e v ；分支比的测量能精确到百分之几，与t o p 夸克的 耦合误差小于5 ；h i g g s 势可通过测量z h h 终态质量，自相互作用精度为8 0 。 2 探索超出标准模型的新物理 除了上述通过h i g g s 粒子研究新物理外，i l c 还可以直接或间接地对各种新物理预 言的重的矢量玻色子、其他轻子和夸克进行探测。特别是利用i l c 的高亮度和极化入射 束，对标准模型中的过程进行精确测量，寻找新物理的迹象。近期的研究表明，万有引 力和其他力可能在比以前预期的能标低很多的情况下实现统一。如果额外的空间维卷曲 起来，会产生有效自旋为2 的力，可以在i l c 上探测到一些效应，从而对时空的基本结 构进行研究。寻找超对称预言的伴子也是t e s l a 的重要目的之一。在动力学破缺理论 中，预言能量接近1 t e v 时，存在矢量玻色子w w 之间的强相互作用，t e s l a 可以在 5 0 0 g e v 产生w 粒子：e + e 一一w + w 一，在9 0 0 g e v 利用高亮度的优势，研究w w 散射， 寻找新物理等。 3 对s m 进行进一步检验 i l c 可以通过研究w w 自耦合来精确验证电弱相互作用中的非阿贝尔规范对性。 另外一个重要方面是t e s l a 的g i g a z 计划，该计划可以在9 0 g e v 2 0