（理论物理专业论文）lhc和ilc上的一些新物理现象学研究.pdf

上 f ： ： j 一 ， 虹 0 ； 摘要 删i | l | l i i i i i 1 一 y 17 3 4 9 2 2 在探索超出粒子物理标准模型的新物理时，人工色理论和最小h i g g s 理论是重要的候 选者，它们在t e v 能标以下预言了一些新的粒子，比如说人工色理论中的赝标量g o l d s t o n e 玻色子、项色h i g g s 玻色子和新规范玻色子，小h i g g s 理论中的重规范玻色子、重费米子 及重标量玻色子等等，都可以看做是这些理论的特征粒子，对它们的研究与探索是检验标 准模型和尝试新物理的一个重要内容 基于已经运行的大型强子对撞机l h c 和计划中的国际直线对撞机i l c 这两个超高 能对撞机的运行环境，结合一些具体的物理过程，我们分析了人工色理论和小h i g g s 理论 中的新物理粒子对物理测量可能存在的一些效应，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 在l h c 环境下计算了由6 5 湮灭引起的顶色辅助人工色模型中带电的顶色介子 硭与标准模型中带电的规范玻色子千联合产生的截面发现在一定的参数范围内，树 图阶p p _ 6 - _ 士的总产生截面能够达到几十个到几百个f b 的水平，单圈阶的贡献 将使产生截面再提高几个n - - 十几个百分点这样的产生截面对于l h c 来说，可能产生 明显的事例数 ( 2 ) 在i l c 高能光子对撞环境下考查了顶色辅助人工色模型中的中性t o p - h i g g s 玻色 子与一个重夸克对联合产生的问题发现 一t 现p 的散射截面在质心能量为、，佰= 1 0 0 0 g e v 时在1f b 的水平上，在i l c 上高能光子对撞过程中每年大约可能产生数百到上千个 t o p - h i g g s 玻色子 ( 3 ) 一6 - 过程是一个对新物理比较敏感的过程，我们考查了项色辅助人工色模型和 带有t 宇称的最小h i g g s 模型中的新物理粒子对 一6 - 过程的单圈修正我们发现，在 顶色辅助人工色模型中，新物理粒子的贡献是负的，在一定的参数范围内，赝标g o l d s t o n e 玻色子的贡献将使树图阶产生截面减小3 2 一5 9 ，e t c 规范玻色子矿和t o p c 色八 重态重规范玻色子b 的贡献可以忽略，t o p c 色单态规范玻色子引起的相对修正不 大于一3 2 而在带有t 宇称的最小h i g g s 模型中，新物理粒子的贡献为正，在一定的参 数范围内，产生截面明显地依赖于破缺标度，混合参数x l 和镜像夸克的质量t n h i 除非 m 日3 很小，来自l h t 模型的相对修正大约是几个n - - 十几个百分点当i l c 的质心能量 为i = 5 0 0g e v 时，高能 对撞中6 - 的产生截面在p b 量级，一旦i l c 投入运行并成 功实现竹对撞，每年将可能有数百万个底夸克对的产生 我们期待l h c 能够对带电的项色介子产生的可能性做出探测，直接寻找人工色理论 的可能信息，也同样期待拥有高精度的i l c ，能够准确测量高能光子对撞下b 夸克对的数 目，这将为间接比较新物理的效果从而尝试这些模型提供有意义的参考! 关键词：大型强子对撞机，国际直线对撞机，项色辅助人工色模型，带有? 宇称的最 小h i g g s 模型，产生截面，辐射修正 i i 一 ：k q e 。 p h e n o m e n o l o g yo fn e wp h y s i c sa b o u ts o m ep r o c e s s e sa tt h e l h ca n di l c j i n - s h uh u a n g ( m a j o ri nt h e o r e t i c a lp h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f g o n g r ul u t e c h n i c o l o ra n dl i t t l eh i g g sa r ei m p o r t a n tc a n d i d a t e so fn e wp h y s i c sb e y o n dt h es t a n d a r d m o d e l ，t h e yn o to n l ye x p a n da n de n r i c ht h es t a n d a r dm o d e lf r o mv a r i o u sa s p e c t s ，b u ta l s o b r i n gm a n yn e wi d e a s ，w h i c hw i l la c tp i v o t a lr o l e so nt h er e a l i z a t i o no ft h eu n i f i e dd e s c r i p t i o n o ff u n d a m e n t a li n t e r a c t i o n s t h e s em o d e l sp r e d i c ts o m en e wp a r t i c l e s ，s u c ha st h ep s e u d o g o l d s t o n eb o s o m ( p g b s ) ，t o p - h i g g sb o s o na n dn e wg a u g eb o s o n si nt h et o p c o l o ra s s i s t e d t e c h n i c o l o r ( t c 2 ) ，a n dt h en e wh e a v yg a u g eb o s o n s ，h e a v yf e r m i o n sa n dh e a v ys c a l a rp a r t i c l e s i nt h el i t t l e s th i g g sm o d e lw i t ht p a r i t y ( l h t ) ，w h i c hc a nb er e g a r d e da st y p i c a lf e a t u r e so f t h e s et w om o d e l s w h e t h e rt h e s ep a r t i c l e se x i s to rn o t ，i ti sa ni m p o r t a n tc o n t e n tt e s t i n gt h e s ma n db e y o n d b a s i n go nt h er u n n i n gl a r g eh a f i r o nc o l l i d e r ( l h c ) a n dt h ep l a n n i n gi n t e r n a t i o n a ll i n e a r c o l l i d e r ( i l c ) ，w ea n a l y s et h ec o n c e i v a b l ee f f e c t so fn e wp a r t i c l e si nt h et c 2a n dl h tm o d e l s t os o m ep r o c e s s e s ，w h i c hi n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) w e h a v ec a l c u l a t e dt h et e c h n i c o l o rc o r r e c t i o n st ot h ec r o s ss e c t i o nf o rw 士订a s s o c i a t e d p r o d u c t i o nv i ab ba n n i h i l a t i o na tt h ec e r nl h c i nt h et o p c o l o ra s s i s t e dt e c h n i c o l o rm o d e l ，a n d f i n dt h a t ，t h et o t a lc r o s ss e c t i o no fp p 一6 _ w 士筇a tt h et r e el e v e l ，i sr o u g h l yc o r r e s p o n d i n g t ot h a to ft h ep r o c e s sp p 一6 6 _ 士日千i nt 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 ) ，a n d c a nr e a c haf e wh u n d r e d sf bw i t hr e a s o n a b l ev a l u e so ft h ep a r a m e t e r s c o n s i d e r i n g t h et e c h n i c o l o rc o r r e c t i o n sa r i s i n gf r o mt h eo n e - l o o pd i a g r a m s ，t h er e l a t i v ec o r r e c t i o ni sa b o u t af e wp e r c e n tt ot w od o z e np e r c e n t ( 2 ) w eh a v es t u d i e dt h ea s s o c i a t e dp r o d u c t i o np r o c e s s e so fan e u t r a lt o p - h i g g si nt h et c 2 m o d e lw i t hap a i ro fh e a v yq u a r k si n c o l l i s i o n sa tt h ei l c ，a n df i n dt h a tt h ec r o s ss e c t i o nf o r d h oi n7 7c o l l i s i o n si sa tt h el e v e lo f1f bw i t ht h ec m e n e r g y 循= 1 0 0 0g e v ，w h i c hc o i n c i d e s w i t ht h er e s u l t so ft h ec r o s ss e c t i o no ft 日i nt h es m ，o f 亡阢oi nt h em s s m ，a n do ft 现i nt h e l h t b e c a u s e 砖i sa l s oas c a l a rp a r t i c l e ，w en e e dt oa f f i r mw h i c hm o d e li ti sf r o mi ft h ei l c e x p e r i m e n tc o u l dd e t e c tas c a l a rp a r t i c l e ，w h i c hw i l lf u r t h e rr e q u i r em o r ee x p e r i m e n t a ld a t aa n d i i i t h e o r e t i c a la n a l y s i s ( 3 ) w eh a v ea l s oi n v e s t i g a t e dt h eo n e - l o o pc o r r e c t i o n st ot h e ，y 7 _ b bc o r s ss e c t i o ni n t h et o p c o l o ra s s i s t e dt e c h n i c o l o rm o d e l sa n dt h el i t t l e s th i g g sm o d e lw i t htp a r i t ya tt h e p h o t o n - p h o t o nc o l l i d e r s w ef i n dt h a t ，i nt c 2m o d e l s ，f o rt h ef a v o r a b l ep a r a m e t e r s ，t h er e l a t i v e c o r r e c t i o n sf r o mp s e u d og o l d s t o n eb o s o n sg i v eo u ta3 2 一5 9 d e c r e m e n to ft h ec r o s ss e c t i o n f r o mt h et r e el e v e l ，t h ec o n t r i b u t i o n sf r o mn e we x t e n d e dt e c h n i c o l o rg a u g eb o s o n sz + a n dc o l o r e d t o p c o l o rg a u g eb o s o n sb a r en e g l i g i b l ys m a l l ，a n dt h er e l a t i v ec o r r e c t i o na r i s i n gf r o mn e wc o l o r - s i n g l e th e a v yt o p c o l o rg a u g eb o s o nz 7i s l e s st h a n - 3 2 ；a n di nl h tm o d e l ，t h et o t a lc r o s s s e c t i o n 盯( e + e 一一7 ，y b b ) i ss e n s i t i v et ot h eb r e a k i n gs c a l e ，m i x i n gp a r a m e t e rx l ，t h e m a s s e so ft h em i r r o rq u a r k sm h i ，a n dt h er e l a t i v ec o r r e c t i o no ft h el h tm o d e li saf e wp e r c e n t t od o z e n so fp e r c e n t h o w e v e r ，t h ec o n t r i b u t i o no fh i g g sb o s o ni nt h es mi so n l yt h eo r d e ro f 1 0 w h i c hi sn e g l i g i b l ys m a l l ，t h er e l a t i v ec o r r e c t i o ni n d u c e db yt h ec h a r g e dh i g g sa n dc h a r g e d g o l d s t o n eb o s o n si nt h e2 h d ma n dm s s mi sl e s st h a n0 1 t h e r e f o r e ，t h ep r o c e s s7 7 _ b 6 i sr a t h e rs e n s i t i v et ot h ee f f e c t so fn e wp h y s i c s ，a n di t sc r o s ss e c t i o ni st h eo r d e ro fp b ，w h i c h m e a i l sm i l l i o n so ft h eb o t t o mp a i r sp e ry e a rc a nb ep r o d u c e da tt h ef u t u r ei l c w eh o p et h a tt h el h cw o u l dl i k et od e t e c tt h ec h a r g e dt o p - p i o ni no r d e rt od i r e c t l ys e a r c h t h es i g n a l so ft o p c o l o ra s s i s t e dt e c h n i c o l o r i nt h es a m ew a y , w ee x p e c tt h a tt h en u m b e ro f t h ep a i ro fbq u a r kc o u l db ea c c u r a t e l ym e a s u r e di nh i g h - e n e r g yp h o t o n - p h o t o nc o l l i s i o na tt h e f u t u r ei l c ，i tw i l lb ei n t e r e s t i n gt oi n d i r e c t l yc o m p a r et h ee f f e c t so fv a r i o u sn e wp h y s i c s k e yw o r d s ：l h c ，i l c ，t c 2 ，l h t ，c r o s ss e c t i o n ，r a d i a t i v ec o r r e c t i o n s i v ， 、 i i i 摘要 第一章引言 目录 第二章 顶色辅助人工色模型与带有t 宇称的最小h i g g s 模型 2 1 新物理理论的提出 2 1 1 粒子物理标准模型遇到的问题 2 1 2 新物理理论的提出及其效应。 2 2 顶色辅助人工色模型 2 2 1 人工色思想提出的理论基础 2 2 2 一代人工色模型。 2 2 3 多标度走动人工色模型 2 2 4 顶色辅助人工色模型 2 3 带有t 宇称的最小h i g g s 模型 2 3 1 小h i g g s 理论的基本思想 2 3 2 最小h i g g s 模型 2 3 3 带有t 宇称的最小h i g g s 模型 第三章大型强子对撞机l h c 和国际直线对撞机i l c 3 1 粒子加速器与对撞机简介 3 1 1 加速器与加速器的工作原理 3 1 2 固定靶碰撞和粒子对撞 3 1 3 直线加速器对撞机和环形加速器对撞机 3 2 大型强子对撞机l h c 3 2 1l h c 的工作原理 3 2 2l h c 的对撞探测记录与数据处理 3 2 3l h c 上的物理 3 3 国际直线对撞机i l c 3 3 1l h c 与i l c i 1 3 3 3 5 6 6 9 3 4 8 8 9 7 3 3 3 4 5 5 5 7 8 9 9 ， ， 1 3 3 3 5 6 6 9 坞 m 堪 鸸 均 卯 船 弘 弱 弘 耵 鹃 v 3 3 2i l c 工作原理和进展4 0 3 3 3 高能光子对撞机4 1 第四章l h c 上顶色介子亓产与规范玻色子千联合产生的研究 4 1 在l h c 上研究士筇联合产生过程的意义 4 2 单圈水平砑一6 5 _ w 士筇产生截面的计算 4 2 1 6 5 _ 士行过程不变振幅的计算 4 2 2 p p 一6 5 _ 士布的产生截面 4 3 l h c 上士筇联合产生过程的数值结果 4 3 1 总产生截面与相对产生截面的数值分析 4 3 2 总结与结论 第五章i l c 上顶色h i g g s 玻色子与第三代夸克对联合产生的研究 5 1 研究项色h i g g s 玻色子与第三代夸克对联合产生的意义 5 2 高能 对撞环境下q o h 9 联合产生的截面 5 2 1 项色h i g g s 玻色子碍与第三代夸克之间的y u k a w a 耦合 5 2 2 7 y _ q q h o 不变振幅的计算 5 2 3 e + e 一一 _ q 厅t h o 过程产生截面的计算 5 3 e + e 一_ w _ q q h 9 产生截面的数值结果与讨论 5 3 1 联合产生截面的数值分析 5 3 2 讨论与结论 第六章i l c 上高能光子对撞过程中硒夸克对产生的研究 6 1 在高能光子对撞过程中研究底夸克对产生的意义 6 2 顶色辅助人工色模型中的新物理粒子对竹_ 6 - 产生截面单圈修正的计算 6 2 1 项色辅助人工色模型中对w _ 6 5 过程有贡献的粒子谱的特点 6 2 2 来自赝标g o l d s t o n e 玻色子贡献的不变振幅具体表达式 6 2 3 来自新规范玻色子贡献的不变振幅的具体表达式 6 2 4 e + e 一一竹一6 总产生截面的表示形式 6 3 顶色辅助人工色模型中w 一6 云产生截面的数值分析 6 3 1 赝标g o l d s t o n e 玻色子的贡献 v i 鹳 鹞 鹄 船 乩 n 耵 弘 盯 静 弱 鹃 的 缸 缸 弱 弱 弱 窨 8 阳 四 乏 - j p 6 3 2 新规范玻色子的贡献8 0 6 4 l h t 模型中的新物理粒子对7 7 _ 6 云产生截面单圈修正的计算8 3 6 4 1 l h t 模型中对，y ，y _ 6 5 产生截面有贡献的新物理粒子8 3 6 4 2 l h t 模型中新物理粒子对，y ，y _ 6 5 产生过程不变振幅的计算8 4 6 4 3l h t 模型中竹_ 6 5 产生截面的数值分析8 4 6 5 总结与结论8 8 第七章总结与展望9 1 附录a圈图积分公式和圈图工具 9 3 a 1 单圈图积分公式9 3 a 2 圈图工具9 5 参考文献9 7 攻读博士学位期间发表的论文 1 1 1 致谢1 1 3 独创性声明 1 1 5 v 【 ， 第一章引言 第一章引言 作为一种描述电磁、弱和强三种基本相互作用的规范理论，粒子物理标准模型( t h e s t a n d a r dm o d e lo fp a r t i c l ep h y s i c s ，s m ) 包括电弱统一模型( g w s 模型) 【l 】和量子色动力 学( q c d ) 1 2 】两个部分，它在同电弱标度以下高能物理实验的比较中取得了很大的成功， 是二十世纪物理学最伟大的成就之一但是，它还不是一个十分完美的理论标准模型为 实现电弱对称性破缺和使弱规范玻色子及费米子获得质量而引入的h i g g s 场存在平庸性 和不自然性等问题，它也不包括引力相互作用并为暗物质提供候选者，所以一般把标准模 型看做一个低能的有效理论，在t e v 能级以上应该存在新物理 在探索超出标准模型的新物理时，双h i g g s 二重态理论嗍，超对称理论t 4 1 ，人工色理 论【5 】小h i g g s 理论【6 1 ，额外维物理【7 】等等，都是重要的候选者，它们从不同的角度扩展 和丰富了标准模型，也带来很多新思想和新观点，为我们更好地认识标准模型、促进对基 本相互作用的统一描述起了很大的作用这些理论在t e v 能标以下预言了很多新的粒子， 比如超对称理论中的超对称伙伴粒子、人工色理论中的赝标量g o l d s t o n e 玻色子和新规 范玻色子、小h i g g s 理论中的重规范玻色子和重费米子及重标量玻色子等等，这些粒子都 可以看做是这些理论的特征粒子，对它们的研究与探索是检验标准模型和尝试新物理的 重要内容 已经运行的大型强子对撞机l h c1 8 1 和计划中的国际直线对撞机i l c1 9 1 ，都是t e v 能标的超高能对撞机，对标准模型中的h i g g s 粒子和其他新物理粒子的寻找是它们的重 要任务之一因此，全面地分析和认识i - i i g g s 粒子和新物理粒子的性质，将为实验探索提 供有益的参考 本文基于l h c 和i l c 这两个超高能对撞机的运行环境，结合一些具体的物理过程， 分析了人工色理论和小h i g g s 理论中的新物理粒子对物理测量可能存在的一些效应各 章的主要内容安排如下： 第二章中，我们从粒子物理标准模型可能存在的问题出发，介绍了几种新物理理论的 主要特点，特别详细地分析了人工色理论和小h i g g s 理论中一些具体模型的理论特点，我 们主要在这些模型下来开展新物理现象学方面的研究工作 第三章比较详细地介绍了大型强子对撞机l h c 和国际直线对撞机i l c 的工作原理 和它们的主要探索目标，我们的研究工作主要围绕这两个对撞机的运行环境来进行 在第四章中，我们在l h c 环境下计算了由6 5 湮灭引起的顶色辅助人工色模型中带 l h c 和i l c 上的一些新物理现象学研究 电的顶色介子磅与标准模型中带电的弱规范玻色子千的联合产生截面，对于在l h c 上探测带电项色介子产生的可能性做出分析 第五章在i l c 高能光子对撞环境下考查了顶色辅助人工色模型中的中性t o p - h i g g s 玻色子与一个重夸克对联合产生的问题，探讨了在i l c 上产生顶色辅助人工色模型中性 特征粒子的可能性 我们发现竹_ 6 5 过程是一个对新物理比较敏感的过程，在第六章中我们详细地计 算了项色辅助人工色模型和带有t 宇称的最小h i g g s 模型中的新物理粒子对w 一6 - 过 程的单圈修正，全面地比较了标准模型和各种新物理理论下对该过程的修正效应期待拥 有高精度的i l c ，能够准确测量高能光子对撞下b 夸克对的数目，来间接比较新物理的效 果从而深入研究新物理理论! 在最后的总结和展望部分中，我们给出了关于上述过程分析的现象学结论，希望能够 为在l h c 和i l c 上探索新物理理论提供有益的参考 2 第二章顶色辅助人工色模型与带有t 宇称的最小h i g g s 模型 第二章顶色辅助人工色模型与带有t 宇称的最小h i g g s 模型 在本章中，我们从粒子物理标准模型可能存在的问题出发，详细地分析了人工色和小h i g g s 等新 物理理论中一些具体模型的理论特点，我们主要在这些模型下来开展新物理现象学方面的研究工作 2 1 新物理理论的提出 2 1 1 粒子物理标准模型遇到的问题 粒子物理标准模型尽管成功地实现了对电弱相互作用和强相互作用的描述，并得到 了大量实验证据的支持，但标准模型并不是一个十分完美的理论，问题主要表现在两个方 面：一方面是其理论分析与一些精确的实验测量之间存在一定的偏差，另一方面出在标准 模型内部，在标准模型中起着关键作用的h i g g s 机制没有得到实验上的证实，而且由于它 的引入也给标准模型的带来了一些自身难以解决的问题 。 与标准模型拟合存在偏差的一些实验作为例子，以下两个实验结果表明标准模型的 预言存在一定的偏差：n u t e v 反常，弘子反常磁矩 n u t e v 实验是通过中微子与核子的深度非弹性散射产生中性流与带电流的比值的方 ；法来对在壳的弱混合角进行精确测量实验表明f l o ，1 1 l s i n 2o w = 0 2 2 7 7 士0 0 0 1 3 ( s t a t ) 士0 0 0 0 9 ( s y s t ) ， ( 2 1 ) 而标准模型给出的拟合结果是【1 2 】 s i n 2o w = 0 2 2 2 7 士0 0 0 0 4 二者之i 司存在的偏差为3 0 1 对于p 子反常磁矩= 0 2 ) 2 的测量，近来的实验给出【1 4 】 a p ( e x p t ) = ( 1 1 6 5 9 2 0 8 0 士6 3 ) 1 0 1 0 ( 0 5 5 4p p m ) ， 与标准模型的偏差为 a a 肛( e x p t s m ) = ( 2 2 4 士1 0t o2 6 1 士9 4 ) 1 0 1 0 ， 这大约是2 2 到2 7 个标准偏差 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 1 近来，有人报告说他们霞新分析了n u t e v 实验，给出了新的实验拟合结果为s i n 2 毋w = 0 2 2 3 24 - 0 0 0 1 3 ( s t a r ) 4 - 0 0 0 2 4 ( 明s t ) 。能够与标准模型精确一致 1 3 1 3 l h c 和i l c 上的一些新物理现象学研究 标准模型由h i g g s 场带来的问题标准模型中由于基本标量场- - h i g g s 场的引入，带 来了如下一些问题： ( 1 ) h i g g s 是标准模型中唯一的非规范作用部分大量的粒子物理实验支持粒子间的 基本相互作用都是规范相互作用，但为了使电弱对称性自发破缺而引入了基本标量场，其 中的a 扩相互作用与y u k a w a 耦合都不属于规范相互作用，这破坏了原来理论所具有的统 一性，而且标准模型的大部分自由参量来自这些非规范相互作用由于实验上还未能发现 h i g g s 玻色子，人们有理由怀疑标准模型中的基本标量场部分，并寻求更令人满意的电弱 对称性自发破缺机制【1 5 ，16 1 ( 2 ) h i g g s 场具有平庸性这一点，可以从耦合常数入的重整化群方程看出来若定义 t = i n 矮，a 是正规化截断，p 是低能标度，则单圈近似下有 d a 如n ( t ) _ = f l ( a r , t ) = 豢+ ， ( 2 5 ) 其解为 妇( t ) 2f 瓦a 丽o ， ( 2 6 ) 其中知= a n ( t = 0 ) 是正规化截断处的耦合常数当a _ 0 0 ，对于任何有限的肛，都有 h ( 肛) _ 0 ，即入扩理论实际上是一个无自作用的平庸理论 如果将h i g g s 机制看成是在正规化截断a 以下的低能有效理论，可以避免平庸性，但 在a 以上一定有这个低能有效理论所不包含的新物理出现 ( 3 ) h i g g s 场具有不自然性，也称为标准模型的等级问题【1 7 1 这是由于h i g g s 粒子的 自能单圈修正具有平方发散性引起的为了得到有限质量，需要进行质量重整化若设 m 日为h i g g s 粒子的物理质量，m o 为裸质量，则有 m 3 = 仇备+ 跏备 因为物理质量m t t 有限，由于6 仇备平方发散，则m 3 也必须平方发散设 则有 4 ( 2 7 ) m 3 = a a 2 ，j m 备= b a 2 ，( a o ( 1 ) ，b 0 0 ) )( 2 8 ) m 备= ( a b ) a 2 ( 2 9 ) 第二复觋色辅助人工色模型与带有t 宇称的最小h i g g s 模型 若物理动量截断为大统一尺度a 一1 0 1 5g e v ，m 日一1 0 0g e v ，则要求a b 一1 0 2 6 ， 也就是说，a 和b 都要精确调节到2 6 位数才能得到所要求的m 备；而若取a 。1 0 1 9g e v ， 则更需要精密调节到3 4 位数，这在物理上显然是不自然的 要使理论自然，必在1 0 1 5g e v 以下存在其他理论，若能标为a lt e v ，就需要t e v 能量的对撞机来进行实验探索 所以说，由于标准模型有与精确实验不能完全一致的地方，而且标准模型中h i g g s 机 制本身有一定的困难，至今也未能找到其所预言的h i g g s 玻色子l e p 实验已经给出m 日 1 1 4 4g e v 【1 8 1 ，而且l e p 的电弱精确实验要求m 日1 9 4g e v 1 9 1 若在1 1 4 4g e v 。 1 9 4g e v 范围内找不到h i g g s 玻色子，则标准模型中的基本标量场部分必须由新物理理论 来代替 2 1 2 新物理理论的提出及其效应 新物理理论的基本观点基于标准模型存在的以上问题，特别是针对由于基本标量 、场引入带来的不自然性问题，人们进行了多方面的尝试，提出了很多有积极意义的新物理 理论 当然，人们研究新物理，并不是实验直接否定了标准模型，也不是由于实验给出了新 物理存在的直接证据，这和历史上任何有重要突破和发现的时期不同目前，没有任何实 验完全否定标准模型，所有对各种新物理的探索也均以失败而告终，但人们还是锲而不舍 地研究新物理，仅仅是出于对标准模型不尽完美的设想和对统一理论的追求，这可以称之 为“高能物理悖论”( h e pp a r a d o x ) 【2 0 】 新物理理论的种类很多，诸如双h i g g s 二重态理论，超对称，人工色，小h i g g s ，额外维 等等，这里仅介绍其中的三种一超对称，人工色和小h i g g s ，它们在构建超出标准模型的对 称性破缺机制方面都很有代表性 ( 1 ) 超对称理论( s u p e r s y m m e t r y ) 4 1 引入超对称，假设标准模型中的每个粒子都存在 一个超对称伙伴粒子费米子的超对称伙伴粒子是玻色子，玻色子的超对称伙伴粒子是费 米子这样，标准模型粒子对h i g g s 粒子质量带来的发散，被所对应的超对称伴随粒子贡 献的发散抵消，从而避免不自然性并缓解平庸性的困难在超对称理论中，电弱对称性自 发破缺由弱耦合的h i g g s 部分引起 ( 2 ) 2 人工色理论( t e c h n i c o l o r ) 1 5 1 人工色理论的主张是在电弱理论中完全摒弃基本标 量场，而由某种费米子的真空凝聚 0 来破缺s u ( 2 ) l u ( 1 ) y 的规范对称性，所 5 l h c 和i l c 上的一些新物理现象学研究 以这类理论也称为动力学电弱对称破缺( d y n a m i c a le l e c t r o w e a ks y m m e t r yb r e a k i n g ) 这种 想法的好处是在理论中去掉一切非规范相互作用，即所有基本相互作用都由规范不变原 理所确定从量级上估计，要想产生足够强的费米子凝聚来给m w ，m z 以合适的质量，就 要求存在一种比q c d 更强的新的相互作用一人工色相互作用，其基本能量标度为1t e v 的量级 ( 3 ) 小h i g g s 理论( l i t t l eh i g g s ) 【6 】该理论假定在较高能区存在一个整体对称性的自 发破缺，使h i g g s 粒子成为g o l d s t o n e 玻色子，即用赝标量g o l d s t o n e 玻色子来实现h i g g s 场，同时引入重的规范玻色子来抵消电弱规范玻色子对h i g g s 粒子质量带来的圈图发散， 引入重的类矢夸克抵消标准模型夸克带来的发散，引入重的标量场来抵消h i g g s 粒子的 自耦合发散，即标准模型中粒子对h i g g s 粒子质量的平方发散被具有同样统计性质的新 粒子的发散所抵消同时，受一些对称性的保护，h i g g s 粒子的质量对动量截断不再敏感， 而能够保持一个较小的数值 我们关于新物理的现象学研究主要在后两种理论下进行，它们在模型构建和粒子谱 预言等方面的细节，我们会针对具体模型进行详细地分析 新物理的效应新物理理论中假定存在的某种更高的对称性都会在1t e v 附近发生 自发破缺，从而预言了一些质量小于1t e v 的新物理粒子探测这些新粒子对可观测量带 来的物理效应，对于探索新物理理论有着非常重要的作用 判断新物理的效应，大体上可以从两个方面来考虑：一方面是新物理粒子的直接产 生，如果一些新粒子的质量较轻，就有可能在t e v 能标的高能对撞实验中被探测到，这将 是新物理理论能够得到验证的最直接的证据；另一方面是新粒子对物理过程产生的圈图 修正效果，如果新粒子较重，很难在高能实验中被直接探测到，可以分析由于它们存在而 对可测量物理过程产生的修正效应，进行比较和鉴别，来间接证实新粒子的存在以及判断 新物理理论的正确性 2 2 顶色辅助人工色模型 2 2 1人工色思想提出的理论基础 由于h i g g s 机制不是一个自然的理论，人们总希望寻找一个自然的电弱对称性破缺 机制，这正是s w e i n b e r g 和l s u s s k i n d 等人最初提出人工色理论的出发点阎 w e i n b e r g 和s u s s k i n d 提出人工色思想的理论基础s w e i n b e r g 和l s u s s k i n d 提出 人工色的思想源于q c d 理论通过电弱对称性的动力学破缺也能使弱规范玻色子w 和z 6 第二章顶色辅助人工色模型与带有t 宇称的最小h i g g s 模型 获得一定的质量f 2 1 1 考虑一个没有标准模型中h i g g s 场的简单模型，这里仅有一代夸克 g 厶r = ( u ，d ) l ，r ( 2 1 0 ) 假设夸克质量为零，且不考虑s u ( 2 ) l u ( 1 ) v 电弱相互作用，则q c d 拉氏量在单独的左 手夸克二重态q l 和右手夸克二重态q rs u ( 2 ) 手征转动变换下是不变的，这给出一个整 体手征对称性 s u ( 2 ) 厶s u ( 2 ) r( 2 1 1 ) 量子色动力学的经验表明，q c d 真空不具有完整的手征对称性，( 2 1 1 ) 将自发破缺到 同位旋对称性 s u ( 2 ) l s u ( 2 ) r _ s u ( 2 ) l + r ( 2 1 2 ) r ：- 这种自发破缺是由于夸克场算子具有非零的真空期望值来实现的 ， ( 驰) 0 ，( 2 1 3 ) ；+ 这种现象称为夸克反夸克凝聚发生这种破缺以后，真空的对称性小于拉氏量的对称性 由g o l d s t o n e 定理，将产生三个无质量的g o l d s t o n e 玻色子从现象上来说，它们可以视为 介子f 物，其衰变常数定义为 ( o i 圪j 丌6 ) = h a p 如， ( 2 1 4 ) 这里圪是三个轴矢量同位旋流，厶完全由强相互作用确定，而与其他相互作用无关由 于( 2 1 4 ) 具有未破缺的同位旋对称性，所以三个介子衰变常数的数值相同，其值由q c d 的标度参数a q c d 决定【2 2 】 l k 9 3m e v 如果考虑了电弱相互作用，夸克场的运动学项可以表示为 4 l d i l 弘q l + f i r d u t u u r + d r d 协1 p d r ， 这将给出介子规范玻色子耦合 善厶+ 吩丌+ + j g ，霄一町丌一+ 互g 厶。哪秒丌。+ 善，丌。b u o u 丌。 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 7 l h c 和i l c 上的一些新物理现象学研究 运用这些结果，可以求出弱规范玻色子士和z 的质量 r r c w = 互1 9 厶士，m z = 1 2 哥加， ( 2 1 8 ) 它们满足 老= 杀c o s 8 w ， ( 2 1 9 ) 一= 一p - ，i