（粒子物理与原子核物理专业论文）强子对撞机上超对称higgs物理的nlo+qcd修正的研究.pdf

摘要 粒子物理中的标准模型( s m ) 已经被证明是非常成功的理论模型。标准模型的 粒子谱中除了提供粒子质量的h i g g s 玻色子外都已经被高能加速器实验所找到。由 于中性标量h i g g s 玻色子是电弱对称自发破缺机制( h i g g s 机制) 所必须的，寻找 h i g g s 粒子和探究电弱对称破缺机制是未来高能对撞机实验的重要目标之一。美国 费米实验室的t e v a t r o n 和将于2 0 0 8 年投入运行的西欧核子中心大型强子对撞机 ( l h c ) 是寻找h i g g s 粒子的良好实验平台t e v a t r o n 和l h c 都是强子对撞机， l h c 的对撞能量为1 4 t e v ，年积分亮度为l o o 6 - 1 乃，性能参数比t e v a t r o n 有很 大提高。 虽然标准模型已经取得巨大的成功，但其所遇到的困难使得人们越来越相信，它 是个更基本的理论的低能( 1 0 0 g e v 隋效近似最小超对称标准模型( m s s m ) 是标准模型的众多扩展模型中最有吸引力的一个。最小超对称标准模型预言存在五 个物理的h i g g s 粒子：两个c p 字称为偶的中性h i g g s 粒子h o ，h 。，一个c p 宇 称为奇的中性h i g g s 粒子a o ，及一对带电的h i g g s 粒子日+ 。最近几年的研究发 现，m s s m 中最轻的中性h i g g s 粒子h o 的质量不超过1 5 0 g e v 如果最小超对称 标准模型正确， o 将必然能够在l h c 上探测到，而且在m s s m 的很大参数空间 上，l h c 将能够探测到两个以上的h i g g s 粒子。 由于强子对撞机上h i g g s 粒子产生过程的初态是参与强相互作用的夸克或胶 子，因此反应截面的微扰论领头阶( l e a d i n go r d e r ) 结果包含很大的理论上的不 确定度。而精确的实验测量要求理论计算给出尽可能精确的预言。在包括微扰论次 领头阶( n e x tt ol e a d i n go r d e r ) 修正后，理论预言的不确定性会大大降低。因此 计算强子对撞机上h i g g s 粒子产生过程的次领头阶阶量子色动力学( n l oq c d ) 修正就变得非常重要，而且n l oq c d 修正的计算是一件复杂而富有挑战性的工 作在讨论超对称模型时，除了要考虑类标准模型( s m l i k e ) 的q c t ) 修正外， 还需要考虑超对称q c d ( s u s yq c d ) 的贡献。本论文中将给出最小超对称标准 模型下，强子对撞机上h i g g s 粒子的几个重要产生道的n l oq c d 修正的计算结 果。 在强子对撞机上，h i g g s 粒子与重夸克的伴随产生是非常重要的产生道。我们 不仅能够通过这个反应模式寻找h i g g s 粒子，而且能够直接的研究h i g g s 粒子与夸 l x x中国科学技术大学博士学位论文 克的耦合( y u k a w a 耦合) 性质。最小超对称标准模型下，当真空期望值比率t a n 卢较 大时，中性h i g g s 与底夸克的y u k a w a 耦合将比标准模型中相应的耦合大大加强， 因此h i g g s 与底夸克的联合产生有着更加重要的意义。而且，由于l h c 的探测器 能够以较高的效率鉴别底夸克，因此h i g g s 粒子伴随产生一个高横动量的底夸克能 大幅压低h i g g s 产生过程的本底并提高信噪比。本文中讨论了m s s m 中，强子对撞 机上中性h i g g s 粒子与一个高横动量底夸克的伴随产生过程，并计算了n l oq c d 修正效应。 标准模型中没有带电的h i g g s 粒子( h 土) ，因此探测到h + 是发现标准模型 以外的新物理的标志。在l h c 上，中等质量的h 士能够成对的产生，h 对可通过 以下几个反应模式产生：( 1 ) 舛- - + h + h 一( q = u ，d ，c ，8 ，c ，b ) ( 2 ) 鲫寸日+ 日 ( 通过夸克和标量夸克圈) ( 3 ) 钾_ q q h + h 一( 规范玻色子聚合) 。当t & n 卢 很大的时候，重夸克聚合过程的_ 日+ h 一将成为h 士对的最主要的产生模式。本 文中重点讨论了m s s m 中，在t a n 卢较大的参数范围内，l h c 上重夸克聚合产生 h 2 对的过程，并计算了n l oq c d 修正效应。 本论文的创新之处在于以下几个方面： 与传统的利用胶子质量正规化消除红外发散不同，本论文在计算n l oq c d 修 正时统一采用维数正规化方案来正规化紫外发散和红外发散。这样人们可以很 容易地在解析结果中明确检验红外发散的消除，从而得到有限的结果。 本论文在计算实胶子辐射修正时，采用两截断相空间分割的方法，这种方法是 目前国际上进行n l oq c d 计算时所采用的最新的也是精确度最高的计算方法 之一 本文首次计算了最小超对称模型下，中性h i g g s 粒子与单个底夸克的伴随产生 过程，并计算了这个过程的n l oq c d 修正。得到了目前这个反应过程的最精 确的理论预言，对未来l h c 实验寻找h i g g s 粒子及研究h i g g s 粒子的y u k a w a 耦合性质具有理论上的指导意义。 本文首次计算了最小超对称模型下，底夸克聚合产生带电h i g g s 对过程的n l o q c d 辐射修正，并指出在t a n 卢的值很大的参数空间内，这个子过程将是l h c 上h 士对产生的最主要的产生模式我们给出了目前这个反应过程的最精确的 2 0 0 5 年中国科学技术大学博士学位论文 x i 理论预言，对未来l h c 实验寻找日士和标准模型以外的新物理有着指导意义。 本文计算l h c 上h i g g s 粒子各产生过程时采用了五味道方案，即认为底夸克 是质子的部分子之一。这样做可以把正比于对数项l o g ( q 2 m i ) 的贡献求和到 微扰论的所有阶，提高了微扰论序列的收敛速度，从而得到了更加精确的计算 结果。在使用底夸克的部分子分布函数时，我们通过考察末态底夸克的横动量 分布确定合适的因子化能标应为末态粒子质量和的五分之到四分之一这比 通常认为的末态粒子质量和的一半要小很多，采用这种合适的因子化能标使得 计算结果更准确。 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 ep h y s i c sh a sb e e np r o v e dt o b ear e m a r k a b l es u c c e s s f u ld e s c r i p t i o no fh i g he n e r g yp h y s i c sp h e n o m e n a a l m o s t a l lt h es t a n d a r dm o d e lp a r t i c l e sh a v eb e e nd i s c o v e i e db ye x p e r i m e n t se x c e p tf b r t h eh i g g sb o s o n r os e a r c hf o rh i g g sb o s n o na n de x p l o r et h ee l e c t r o w e a ks y m m e t r y b r e a km e c h a n i s mi so n eo ft i l en l o s ti m p o r t a n tm i s s i o n so ff u t u r eh i g he n e r g ye x p e r i m e n t s t h ef e r m i l a bt e v a t r o ni sp r e s e n t l yt h eh i g h e s te n e r g yc o l l i d i n gm a c h i n e i nt h ew o r l d t h ec e r nl a r g eh a d r o nc o l l i d e r ( l 1 4 c ) ，w i t h 狐= 1 4 t e va n da l u m i n o s i t yo f1o o f b 一1w i l lb ea w o n d e r f u lm a c h i n ef o rd i s c o v e r i n gh i g g sb o s o na n d n e wp h y s i c sb o t ht e v a t r o na n ( 1l h ca r eh a d r o nc o l l i d e r s d i s p i t et h et r e m e n d o u ss u c c e s s ，t h es t a n d a r dm o d e l i sg e n e r a l l yr e g a r d e da sa “l o w e n e r g y ”e f f e c t i v et h e o r y w h i c hm a yh a v et ob em o d i f i e da tt e v e n e r g i e s t h e m o s ta t t r a c t i v ee x t e n s i o no f t h es m i st h em i n i m a ls u p e r s y m m e t r i cs t a n d a r dm o d e l ( m s s m ) t h en i s s mp r e d i c t sf i v ep h y s i c a lh i g g s b o s o n s ：t w oc p e v e nn e u t r a lh i g g s b o s o n sh o ，h o ，ap s e u d o s c a l a rh i g g sb o s o na oa n dap a i ro fc h a r g e dh i g g sb o s o n h 2 t h et h o r e t i c a lb o u n do nt h el i g h t e rh om a s si s1 5 0g e vi n c l u d i n gt h et w ol o o p r a d i a t i v ec o r r e c t i o n st h el i g h t e rh ob o s o nc a n n o te s c a p ed e t e c t i o na tt h el h c a n d i nl a r g ea r e a so ft h ep a r a m e t e rs p a c em o r et h a no n eh i g g sb o s o nc a nb ef o u n da t t h ei h c ， s i n c eh i g g sb o s o np r o d u c t i o na th a d r o nc o l l i d e r si n v o l v e ss t r o n g l yi n t e r a c t i n g p a r t i c l e si nt h ei n i t i a ls t a t e ，n e x t t o l e a d i n go r d e r ( n l o ) q c d c o r r e c t i o n sa r ee x p e c t e dt ob ei m p o r t a n ta n da r ec r u c i a li n o r d e rt or e d u c et h ed e p e n d e n c eo ft h e c r o s ss e c t i o n so nt h er e n o r m a l i z a t i o na n df a c t o r i z a t i o ns c a l e s b e s i d e st h es t a n d a r d q c d c o r r e c t i o n s ，a d d i t i o n a ls u s y q c dc o r r e c t i o n sm u s tb et a k e ni n t oa c c o u n ti n m s s mi nt h i st h e s i s 、1w i l ld i c u s st h en l oq c d c o r r e c t i o n st os e v e r a li m p o r t a n t h i g g sp r o d u c t i o nm e c h a n i s m sa th a d r o nc o l l i d e r s t h ep r o d u c t i o no fn e u t r a lh i g g sb o s o n sa s s o c i a t e dw i t hh e a v yb o t t o ma n dt o p q u a r k sm a yp l a ya ni m p o r t a n t r o l ei nm s s m i np a r t i c u l a r ，b e c a u s et h ec o u p l i n g so f t h eh i g g sb o s o nt ob o t t o mq u a r k s c a nb es t r o n g l ye n h a n c e df o rl a r g ev a l u e so ft a np ， 2 0 0 5 年中国科学技术大学博士学位论文x i i i h i g g sp r o d u c t i o na s s o c i a t e dw i t hb o t t o mq u a r k sc a r l b et h ed o m i n a n tp r o d u c t i o n m e c h a n i s m t h ep r e s e n c eo fah i g hp tb o t t o mq u a r ki nt h ef i n a ls t a t eh a sd i s t i n c t p h e n o m e n o l o g i c a la d v a n t a g e ss i n c ei tc a nb et a g g e d w i t hr e a s o n a b l yh i g he f f i c i e n c y i nt h i st h e s i s ，1w i l lp r e s e n tt h ec a l c u l a t i o n so ft h en e u t r a lh i g g sb o s o np r o d u c t i o n w i t ha s i n g l eh i g hp tb o t t o mq u a r ki nm s s m a th a d r o nc o l l i d e r si n c l u d i n gt h en l o o c dc o r r e c t i o n s t h en l 0c o r r e c t i o n sh a v eb e e nf o u n dt oe n h a n c et h el e a d i n g o r d e rc r o s ss e c t i o n sa n dr e d u c et h eu n c e r t a i n t i e so ft h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n s t h e r ei sn oc h a r g e dh i g g sb o s o ni ns m s ot h ed i s c o v e r yo ft h eh w o u l db e ac l e a rs i g n a lf o rt h ee x i s t e n c eo fp h y s i c sb e y o n ds m ，w i t has t r o n gh i n tt o w a r d s s u p e r s y m m e t r y a tt h el h c ，c h a r g e dh i g g sb o s o n c a nb ep r o d u c e di np a i rp r o d u c t i o nm o d e t h e r ea r et h r e ei m p r o t a n th + h p r o d u c t i o nc h a n n e l s ：( 1 ) 孵_ h + h 一 ( g = u ，d ，c ，s ，c ，b ) ( 2 ) g g - 日+ h 一( v i aq u a r k sa n ds q u a r k sl o o p ) ( 3 ) q q 。q q h + h 一 ( v i av e c t o rb o s o nf u s i o n ) f o rv e r yl a r g ev a l u e so ft a n 卢，t h eh h + p r o d u c t i o n c a np r o c e e dd o m i n a t e l yv i a6 5a n n i h i l a t i o n i nt h i st h e s i s ，id i s c u s st h ep r o c e s s 印o b b _ 十h 十ha tt h el h cw i t hv e r yl a r g et a n 卢i nt h em s s mi n c l u d i n gn l o q c d c o r r e c t i o n s t h em a i ni n n o v a t i o n si nt h i st h e s i sa r el i s tb e l o w d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fu s i n gs m a l lg l u o nn l a s st or e g u l a r i z e t h ei r s i n g u l a r i t i e s ，w eu s et h ed i m e n s i o n a lr e g u l a r i z a t i o ns c h e m e t or e g u l a r i z e b o t hu r d i v e r g e n c e sa n di rs i n g u l a r i t i e sa t t i l es a m et i m ew h e nw ep e r f o r m n l o q c d c a l c u l a t i o n s w ec a ne a s i l yc h e c kt h ec a n c e l l a t i o no fi rs i n g u l a r i t i e s i nt h ea n a l y t i ce x p r e s s i o n sa n dg e tf i n i t er e s u l t s iu s et h et w oc u t o f fp h a s es p a c es l i c i n gi v i e t h o dt oc a l c u l a t et h er e a lg l u o n e m i s s i o nc o r r e c t i o n st h i sm e t h o di so n et h en e w e s ta n dm o s tr e l i a b l em e t h o d s o fp e r f o r m i n gn l oq c dc a l c u l a t i o n s i nt h i st h e s i s ，ic a l c u l a t e dt h ea s s o c i a t e dp r o d u c t i o no fn e u t r a lh i g g sb o s o na n d as i n g l eb o t t o mq u a r ki n c l u d i n gn l oq c dc o r r e c t i o n si nm s s m a tt h eh a & o n c o l i i d e r s t h er e s u l t so fm yc a l c u l a t i o na r et h em o s ta c c u r a t er e s u l t so ft h i s 中国科学技术大学博士学位论文2 0 0 5 年 p r o c e s ss of a r m yr e s u l t sw i l lb eh e l p f u lf o rt h ee x p e r i m e n t sa th a d r o nc o l l i d e r s t ol o o kf o r h i g g sa n ds t u d yt h ey u k a w ac o u p l i n gb e t w e e nh i g g sa n db o t t o m q u a r k s i nt h i st h e s i s ，ic a l c u l a t e dt h ec h a r g e d h i g g sp a i rp r o d u c t i o nv i ab o t t o mq u a r k s f u s i o n f o rv e r y l a r g ev a l u e so ft a n 卢，t h i ss u b p r o c e s sw i l lb et h ed o m i n a n t c h a n n e lo fh h + p r o d u c t i o na tt h el h c ip r e s e n tt h em o s ta c c u r a t er e s u l t s o ft h i sp r o c e s ss of a r m yc a l c u l a t i o nw i l lb eh e l p f u lf o rt h el h c e x p e r i m e n t s t od e t e c tc h a r g e dh i g g sb o s o na n dl o o kf o rp h y s i c sb e y o n dt h es t a n dm o d e l i nm yc a l c u l a t i o n so f h i g g sp r o d u c t i o na th a d r o nc o l l i d e r s w ea d o p tt h ef i v ef l a v o rs c h e m e t h a tm e a n sw ed e a lb o t t o mq u a r k sa sp a r t o n sa r i s i n gf l o mp r o t o n s t h i ss c h e m ec a ni m p r o v et h ec o n v e r g e n c eo ft h ep e r t u r b a t i v es e r i e ss i g n i f i c a n t l y i ti sh e l p f u lt og e tm o r ea c c u r a t er e s u l t sb yc h o o s i n gs u i t a b l ef a c t o r i z a t i o ns c a l e a f f e ra n a l y z e dt h et r a n s v e r s em o m e n t u md i s t r i b u t i o no ft h ef i n a ls t a t eb o t t o m q u a r k s ic h o s et h ef a c t o r i z a t i o ns c a l ea sl 5 1 4o ft h es u mo ff i n a ls t a t e n l a s s e sw h i c hi sm u c hs m a l l e rt h a nt h eu s u a l l yu s e da v e r a g ef i n a ls t a t em a s s 致谢 首先，我要感谢我的导师马文淦教授，是他向我打开了高 能物理现象学研究的大门。五年来，马老师精心的指导着我的 科学研究工作，热心的帮助我处理生活学习中遇到的问题。他 的教导、鼓励和督促使我没有虚度这五年宝贵的光阴，最终能 够顺利完成这篇论文。 感谢蒋一、韩良两位老师，他们教给我很多高能物理实验 方面的知识。感谢万浪辉、张仁友两位师兄，和他们讨论问题 使我受益匪浅，享受到科学研究的快乐。在黑板前面红耳赤的 争论是那段激情岁月里的闪亮记忆。 我也要感谢实验室周鸿、孙衍斌、王雷、吴鹏、李刚、孙昊、 郭磊等师兄弟，邢利荣、周佩君、周雅瑾、刘婧婧等师妹，是他 们和我一起创造了实验室和谐融洽而又奋发进取的氛围。和他 们在一起度过的这段时日，将会是我人生画卷上最亮丽的一道 风景。 最后，衷心感谢父母的养育和妻子给我的快乐。 完成及发表论文目录 1h o uh o n g s h e n g ，m aw e n g a n v c a nl a n g - h u i ，”e l e c t r o w e a kc o r r e c t i o n s t ot h ed e c a y so fs t o pa n dg l u i n o ”，p h y s r e v d 6 5 ( 2 0 0 2 ) 0 7 5 0 1 9 2 h o uh o n g - s h e n g ，m aw e n - g a n ，z h o uh o n g ，w a nl a n g - h u i ，j i a n gy i ，t h e t o p c h a r ma s s o c i a t e dp r o d u c t i o nw i t h i nt h er - p a r i t yv i o l a t i n gs u p e r s u m m e t r i e m o d e li np h o t o n - p r o t o nc o l l i s i o n s ”，c o m m u nt h e o r p b s3 8 ：3 3 7 3 4 6 ，2 0 0 2 3h o uh o n g - s h e n g ，m aw e n g a n ，w up e n g ，w a n gl e i j ”h i g g s b o s o np r o d u c t i o na s s o c i a t e dw i t has i n g l eb o t t o mq u a r ki ns u p e r s y m m e t r i cq c d ”，p h y s r e v d 6 8 ( 2 0 0 3 ) 0 3 5 0 1 6 4 h o ui t o n g s h e n g ，m aw e n - g a n ，z h a n gr e n y o u ，p s e u d o s c a l a rh i g g sb o s o n p r o d u c t i o na s s o c i a t e dw i t has i n g l eb o t t o mq u a r ka th a d r o ne o l l i d e m ”j h e p 0 9 ( 2 0 0 3 ) 0 7 4 5h o uh o n g - s h e n g ，m aw e n g a n ，z h a n gr e n - y o u ，j i a n gy i ，h a nl i a n g ，x i n g l i r o n g ，”p a i rp r o d u c t i o no fc h a r g e dh i g g sb o s o n sv i ab o t t o m q u a r kf u s i o n ”， a c c e p t e db yp h y s ，r e vd 6 w a n gl e i ，m aw e n - g a n ，h o uh o n g s h e n g ，z h a n gr e n y o u ，s u ny a n b i n ， ”r p a r i t yv i o l a t i o ne f f e c to i lt h et o p q u a r kp a i rp r o d u c t i o na tl i n e a rc o l l i d e r s ”， p h y sr e vd 6 8 ( 2 0 0 3 ) 0 2 6 3 1 9 7 z h o uy a n j i n ，m aw e n - g a n ，h o uh o n g - s h e n g ，z h a n gr e n - y o u ，z h o up e i j u n s a ny a h b i n ”n e u t r a lh i g g sb o s o np a i rp r o d u c t i o nv i a1 0e o l l i s i o ni nt h e m i n i m a ls u p e r s y m m e t r i cs t a n d a r dm o d e la tl i n e a lc o l l i d e r s ”p h y sr e vd 6 8 ( 2 0 0 3 ) 0 2 0 3 1 9 8y i nj a n ，m aw e i l g a n ，z h a n gr e n y o u ji i o uh o n g - s h e n g ”a o z 。a s s o e i - a t e dp r o d u c t i o na tt h el a r g eh a & o nc o l l i d e ri nt h em i n i m a ls u p e r s y m m e t r i e s t a n d a r dm o d e l ”，p h y s r e v ，d 6 6 ( 2 0 0 2 ) 0 9 5 0 0 8 9j i a n gy i ，m aw e n c a n ，h a nl i a n g ，h o uh o n g s h e n g ，”c h a r g e dh i g g sb o s o np a i rp r o d u c t i o n sv i ag l a o ng l u o nc o l l i s i i o ni am s s mw i t hc pv i o l a t i o n ”， c o m r n u n t h e o rp h y s3 6 ：6 1 6 , 1 ，2 0 0 1 1 0 c h e nh u i ，i v l aw e n g a n ，z h a n gr e n y o u ，z h o up e i j u n ，h o uh o n g s h e n g ， s u ny a n b i n ，”c o m p l e t eo a 3q c da n d0 口e 。e l e e t r m v e a kc o r r e c t i o n st ot h o p r o d u c t i o ni n 7c o l l i s i o n ”，n u c lp h y sb 6 8 3 ( 2 0 0 4 ) 1 9 6 中国科学技术大学博士学位论文2 0 0 5 年 1 1 z h a n gr e n y o u ，m aw e n g a n ，c h e nh u i ，s u ny e n b i n 、h o uh o n g s h e n g ”f u l lo a r e l e c t r o w e a kc o r r e c t i o n st oe + e 一- 4h o h o z o ”，p h y el e t t b 5 7 8 ( 2 0 0 4 ) 3 4 9 1 2y o uy u m aw e n g a n ，c h e nh u i ，z h a n gr e n - y o u ，s u ny a h b i n ，h o uh o n g s h e n g ”e l e c t r o w e a kr a d i a t i v ec o r r e e t i o e st oe + e 一_ t 打，a tl i n e a rc o l l i d e r s ” p h y s l e t tb 5 7 1 ( 2 0 0 3 ) 8 5 1 3 x i n gl i r o n g ，m aw e n g a n ，z h a n gr e n y o u ，s u ny e n b i n ，h o uh o n g - s h e n g ”t h ee 舶c t sf r o mt h ec o m p l e xp a r a m e t e r s0 nt _ c 胪w i t h i ut h em i n i m a ls u 、 p e r s y m m e t r i cs t a n d a r dm o d e l ”，c o m m u nt h e o rp h y s4 0 ：1 7 1 1 8 2 ，2 0 0 8 1 4 x i n gl i - r o n g ，m aw e n c a n ，z h a n gr e ny o u ，s u ny e n b i n ，h o uh o n g s h e n g ， t h ee f f e c to ft h ec o m p l e xp a r a m e t e so nt 。c h oi nt h es u p e r s y m m e t r i c q c d ”，c o i n m l l nt h e o r p h y s 4 1 ：2 4 1 - 2 4 6 2 0 0 4 1 5s u nh a n ，m aw e n g a n z h o uy a - j i n ，s u ny e n b i n 、z h a n gr e n y o ua n dh o u h o n g s h e n g ，”n e u t r a lh i g g sb o s n np a i rp r o d u c t i o ni nt h es t a n d a r dm o d e l w i t hf o u r t hg e n e r a t i o nq u a r k sa tl h c ”c o m m u n t h e o rp h y s 4 1 ：7 3 7 8 ，2 g 0 4 1 6l i ud i n g j i n g ，m aw e n g a n ，l ig a n g ，z h a n gr e n y o ua n dh o uh o n g s h e n g ， ”n e u t r a lh i g g sb o s o np a i rp r o d u c t i o ni nt h el i t t l eh i g g sm o d e la th a & o nc o l ， 1 i d e r ”p h y s r e q d 7 0 f 2 0 0 4 10 1 5 0 0 1 1 7 z h a n g r e n - y o u ，m aw e n g a n ，j i a n gy i ，h o uh o n g s h e n g ，s u ny e n b i n ，”r p a r i t yv i o l a t i o ne f f e c to nb t - 6 科i nm s s m ”，a c c e p t e db yc o m m u n t h e o rp h y s 第一章标准模型和最小超对称标准模型中的h i g g s 物理 1 1 标准模型中的h i g g s - 物理 1 1 1 电弱统一模型( w e i n b e r g s a l a mm o d e l ) 简介 电磁相互作用和弱相互作用有很多相似之处，人们希望有一个简洁的理论统 一描述这两种相互作用。 f a n g m i l l s 的非a b e l 规范理论 1 】和对称性自发破缺 的h i g g s 机制 2 】为电弱统一理论的建立提供了理论准备。2 0 世纪6 0 7 0 年 代，w e i n b e r g ，g l a s h o w 和s a l a m 提出了将电磁相互作用和弱相互作用统一起 来的电弱统一模型【3 】th o o f t 证明了这是一个可重整的量子场理论【4 考虑 到此前提出的用来描述强相互作用的量子色动力学( q e d ) ，人们得到了一个满足 s u ( 3 ) g s u ( 2 ) w o u ( 1 ) y 规范对称性的相互作用理论：标准模型。其后三十多年 的实验检验证明，标准模型是一个极为成功的粒子物理理论。关于标准模型的详细 结构和拉氏量的构造可参考文献【5 】【6 。下面简要介绍标准模型中h i g g s 物理相关 的部分。 电弱统一模型( w e i n b e r g s a l a mm o d e l ) 是一个s u ( 2 ) l u ( 1 ) r 规范不变的 理论。理论中包含三个s u ( 2 ) 规范场，w 名，一个u o ) 规范场，吼。规范场的 动能项写成 k e = 一；睨。w 札“；耳。酽 ( 1 1 1 ) 其中规范场强 圯，b 。，定义为 联。= 乱睨一吼哪+ g e i j k w 嘭 b “，= 巩3 “一钆b ， ( 1 12 ) 其中e2 批为s u ( 2 ) 群的三阶全反对称结构常数，记g 为s u ( 2 ) 的耦合常数，g 为 u ( 1 ) 的耦合常数。引入一个超荷为y 0 = 1 的s u ( 2 ) 复标量二重态 西= 击( ：鬣) ， 其满足的s u ( 2 ) 不变且可重整的最一般的标量势为 y ( 西) = 2 i 西圣i + a ( 圣由 ) 2( 1 1 4 ) 2中国科学技术大学博士学位论文 当2 0 时，h i g g s 场的标量势y ( 垂) 的极小值有非平庸解，即h i g g s 场的真空期 望值不为零： 选择物理真空为 = 一丢；i v 2 。 i 0 、 = 焉lj 、z 包含h i g g s 场与规范场相互作用的拉氏量为 c h = ( d “中) ( d 卢西) ) 一v ( 西) 其中 d p = 钆+ z 嘭+ i 等吼 当取定么正规范后，h i g g s 二重态可写成 由= 击( 。? 日) 定义物理的规范场为： 昨2 万1 1 千哪) 乙= c o s 钆魄一s i n 乩b u 4 “= s i n 魄+ c o s o w b p 其中弱混和角( w e i n b e r g 角) 0 。定义为 t a n 0 。：里 则规范玻色子从h i g g s 场的动能项中获得质量为： 砩3i 9 2 铲 m g = ；( 9 2 + g a ) ”2 磁= 0 ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) ( 1 1 9 ) ( 11 1 0 ) ( 1 1 1 1 ) ( 1 1 1 2 ) 2 0 0 5 年中国科学技术大学博士学位论文 3 除了为规范玻色子提供质量外，h i g g s 场还通过与费米予的y u k a w a 相互作用 使费米子获得质量。h i g g s 机制的重要性质之一是，h i g g s 场与费米子和规范玻色 子的耦合完全由耦合常数g ，g 和费米子的质量决定。在h i g g s 标量势中，只包含两 个自由参数，弘和a 。我们可以换用另外两个参数，真空期望值口和h i g g s 玻色 子的质量m h 。2 ：一冀，碥：2 v 2 a ( 1 11 3 ) 其中u 2 = ( 以g ，) 一1 = ( 2 4 6 g e v ) 2 。因此标准模型中，唯一未知的参数是h i g g s 粒 子的质量( 不考虑夸克味道之间的混和) 。当h i g g s