（粒子物理与原子核物理专业论文）双荷电标量粒子的单产生和顶夸克伙伴t的联合产生.pdf

是中微子振荡实验证明中微子具有很小的质量，并且是振荡的，这说明标准模型只是一 种低能有效理论，超出标准模型之外应该有新物理存在为了解决中微子的质量问题， 提出了许多新物理模型，比如左右对称模型，标量三重态模型等等通过引入标量粒子 三重态，利用轻子数破坏相互作用，能够使中微子获得合适的质量 除了标准模型中的粒子外，标量三重态模型还预言七个标量粒子：两个c p 一即e n 中 性标量粒子日1 和岛，一个c p o d d 中性标量粒子a ，一对荷电标量粒子h e ，一对双荷 电标量粒子胪士这些新粒子在未来的高能对撞机上可以产生明显的信号由于电荷守 恒阻碍了带双荷的标量粒子衰变成夸克，双荷电标量粒子只能与轻子对或规范玻色子耦 合，它们的y u k a w a 耦合明显破坏了轻子数守恒，所以产生的信号背景比较低，日士士将更 易于探测 我们考虑双荷电标量粒子对轻子味破坏过程的贡献，并与实验上限相比较，给出这些 过程对y u k a w a 耦合常数和质量参数m 日严格的限制考虑到这些限制，我们计算了在 高能直线对撞机( i l c ) 和轻子强子对撞机( l h e c ) 上发生的e 7 对撞产生单个日士士过程的 截面，数值结果表明，这两种高能对撞机上得到的产生截面对y u k a w a 耦合常数b 非常 敏感并发现在h t m 较宽的参数空间下，在未来的i l c 上有望探测到这些过程产生的截 面的数值 在三日和l r t h 模型框架下，我们在工日c 下研究了荷电标量粒子与顶夸克伙伴的联 合产生我们的数据结果显示，在l h 模型下，当，= 5 0 0g o v 时，截面可能达到6 3 7 f b ，但 是随着，的增大而迅速减小在l r t h 模型中，当5 0 0 c - e v ，2 0 0 0 g v v ，m = 3 5 0 g e v ， o g e v m 5 0 0g e v 时，产生截面在1 0 5 7 f b 一4 4 5 f l , 范围吼一在l h c 上可以产生蕊末 态，产生率可以达到1 6 7 2 f o 关键词；标量三重态模型，8 e e s m l ) 机制，中微子，双荷电标量粒子 $ o 帕1 1 et h e o r e t i c a l n e u t r i n oo s c i l l a - t i o ne x p e r i m e n t sh a v em a d eo n eb e l i e v et h a tn e u t r i n o sa r em a s s i v e ，o s c i l l a t ei nf l a v o r t h e r e f o r e , s t a n d a r dm o d e l 啪o n l yb e 孤e f f e c t i v et h e o r yb e l o ws o m eh i g hf f f l 豇 g ys c a l e t 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 d m o d e l s o ，n i n n yn e wp h y s i c sh a v eb e e np r o p o s e df o re x a m p l e ：t h el e f t - r i g h tt w i nh i g g sm o d e l , 劬l 醴m o d e la n d s oo n t h eh i g g st r i p l e tm o d e lp r o v i d e sa ne c o n o m i c a la p p r o a c hw h i c hi m p l e m e t st h ei d e a so f t h e 岛目既疆wt y p e t h eh i g g s 脚l e tm o d e lp r e d i c t st h ee x i s t e n c eo fs e v e np h y s i c a lh i g g sb o s o mw h i c ha 托t w oc t p v e l l n e u t r a lb o s o n sh la n dh 2 ，ac p o 雠n e u t r a lo n e 气a p a i ro f s i n g l ec h a r g e db o s o mh 士，a n dap a i ro f d o u b l y c 蛔g e dh t 9 9 8b o s o mh 蛙t h e s en e wp a r t i c l e sc a np r o d u c er i c hp h e n o m e n o l o g y a tp r e s e n ta n di nf u t u r eh i g h e n e r g yc l l i d e re x p e r i m e n t s s i n c ec h a r g ec o n s e r v a t i o np r e v e n t sd o u b l yc h a r g e ds c a l a r sf r o md e c a y i n gt oap a i ro f q u a r k sa n dt h e i ry u k a w ac o u p l i n gb v i o l a t e sl e p t o nn u m b e rc o n s e r v a t i o n , h w o u l dg i v er i s et oad i s t i n c t i v e e x p e r i m e n t a ls i g n a l , w h i c hh a sl o w e rb a c k g r o u n c l t h et s i p l e t t i i g g sb o s o no f h y p e r c h a r g ey 22w h o s ev a c u i h n e x p e c t a t i o nv a l u e ( v e t ) 地p r o v i d e sm a j o r a n an e u t r i n om 蠲斟瞎w i t h o u ti n t r o d u c i n gf i g h t - h a n d e d n e u 心i n o s f i r s t , w ec a l c u l a t et h ec o n 灯i b u t i o n so f h 士士t ot h ee 7p r o c e s s w ec a no b t a i nt h ec o n s w a i n t so nt h ec o m b i n a - f i o no f t h ef r e ep a r a m e t e r s ，m 日t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e s ec 0 璐咖w cc o n s i d e rs i n g l ep r o d u c t i o no fh 士士 v i ae 7c o l l i s i o n 啦t h en e x tg e n e r a t i o ne + e i n t e r n a t i o n a ll i n e a rc o n i d a rql a n dt h el he c o u rn u m e r i c a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o d u c t i o nc r 0 8 8s e c t i o n sa tt h e s et w ok i n d so f h i g h 髓i e 哟7c o u i d e r sa v e r ys e n s i t i v et ot h e y u k a w a c o u p l i n g s 危格w ef u r t h e r c a l c u l a t et h ec o n t r i b u t i o n so f t h ep r o c e s s e se y e + h 一一，e 7 _ p + 日一一 a n d 钾_ 一日一w ef i n dt h a ti nt h e 丽d er a n g eo f t h ep a r a m e t e rs p a c eo f t h eh t m ，t h o r v a l u e sc 纽b el a r g e e n o u g h t ob ed e t e c t e di nt h ef u t u r e ll c i nt h ec o n t e x to ft h el i t t l e s th i g g s 伍印m o d e la n dt h el e f t - r i g h tt w i nh i g g s ( l r t 印m o d e l , w es t u d y p r o d u c t i o no fc h a r g e dh i g g sb o s o na s s o c i a t e dw i t ht o pp a r t n e ra tt h el h c w ef i n dt h a t , i nt h el hm o d e l , i t s c r 0 8 8s e c t i o nc a nb es i g n i f i c a n tl a r g ef o r t h es c a l e p a r a m e t e rf = 5 0 0 g e v , w h i l es h a r p l yd e c r e a s e sa sfi n c r e a s i n g i nt h el r t hm o d e l , t h i sp r o d u c t i o n p r o c e s sm a i n l yt r a n s f e r st ot h e 蕊b bf m a ls t a t ea tt h el h ca n di t sp r o d u c t i o n r a t ec a nr e a c h1 6 7 2 f b k e y w o r d s ：i - f i g g st r i p l e tm o d e l , s e e s a wm e c h a n i s m , n e u t r i n o ，d o u b l yc h a r g e dh i g g sb o s o m j 目录 第一章引言 1 1 中微子振荡 1 2 可能的新物理理论 1 3 工作简介 第二章标量粒子三重态模型( h t m ) 简介 2 1s e e s a wi i 机制的主要物理思想 2 2h t m 预言的标量粒子的相关耦合 2 3 标量粒子衰变道的分支比 2 4 标量粒子的探测 第三章h t m 预言的双荷电标量粒子的单产生 1 7 3 1 双荷电标量粒子在i l c 上的单产生 1 9 3 2 双荷电标量粒子在l t t e g 上的单产生2 2 第四章顶夸克伙伴t 在l h c 上的联合产生 2 5 4 1 顶夸克伙伴t 的综述2 5 4 2 小h i g g s 理论预言的顶夸克伙伴t 2 6 4 3 l r t h 模型预言的顶夸克伙伴t 3 0 4 4 顶夸克伙伴r 在l h g 上的联合产生3 3 第五章总结与展望 加 附录一研究生期间所做的工作 4 2 参考文献 4 3 附录三致谢 钞 l i l l l 4 7 9 9 n 屹垮 族中重要 电子中 量和角动 然的复杂 们发现了 于二代的 又发现了 第三代的r 轻子，2 0 0 0 年美国的费米实验室发现了第三种中微子彳中微子 按照目前的粒子物理学理论的预言和实验的测量值，自然界中存在着三种不同类型 的中微子，分别对应轻子家庭的三个成员：电子中微予、p 中微子和r 中微子，人们把中 微子这三种类型称为中微子具有三种不同的。味”在粒子物理的标准模型中，中微子是 一种没有静止质量的粒子在宇宙空间中，存在着大量的中微子，这些中微子源于宇宙 大爆炸和恒星内部核过程多年以来，物理学家对产生于太阳内部核反应过程【l 】，大气 层顶部核反应堆【2 】以及粒子加速器中微予【3 】进行了广泛的研究，发现中微子的通量比 理论预言值小对这一现象的一种解释是：中微子在空间中运动时会在这三种。味”之 间相互转换物理学家们把中微子的这种行为称为中微子振荡 粒子物理在上世纪6 0 年代以来取得的重大进展之一是建立了标准模型此模型描述 了基本粒子及其相互作用唯象学，可以说标准模型的理论框架是非常优美的迄今为止， 已经有无数精确的实验事实说明了理论的正确性标准模型认为物质世界是由6 2 种粒子 构成，这6 2 种粒子分为s 规范标量粒子，费米子，标量粒子费米子有2 4 个，分为3 代， 每一代费米子包含1 个中微子，1 个带负电轻子，三个带；电荷的上形夸克和三个带一； 电荷的下形夸克到目前为止，人们发现有三代夸克的混合，但没有发现3 代轻子之间有 混合3 代夸克之间有混合的原因是所有的夸克都有静止质量的，3 代轻子之间没有混合 的原因是中微子没有静止质量 按照标准模型，中微子是严格没有静止质量的，中微子永远是左旋的，它只参与弱相 互作用，它不能转化成右旋中微子，当然反中微子永远是右旋的如果中微子有质量， 则右旋中微子将既不能从强相互作用或电磁相互作用中产生，也不能从弱相互作用中产 生，它只能由左旋中微子通过不为零的静止质量转化而成如果中微子有即便是很微小 的静止质量，其一个重要后果是可以造成3 代轻子之间也会有代的混合，它将表现为中 微子振荡 中微子质量与中微子振荡 标准模型是基于规范群s u ( s ) cxs u ( 2 ) l u c t ) y 的量子理论，它很好的描述了强、弱 双荷电标量粒子的单产生和顶夸克伙伴t 的联合产生 和电磁相互作用到目前为止，确定存在如下3 代轻子和夸克【4 】 d t , e 蚝- - p - ， ： r 脚- ， m - ， 每一代有8 个粒子，前两个为上下夸克，后两个是中微子和与其相对应的轻子相对于夸 克混合来说，中微子混合的表现就是中微子振荡，在中微子的质量本征态下，由于它们 的质量不同，相应的频率也有差异 在标准模型中，中微子是严格无质量粒子，中微子只参与自然界的四种基本相互作用 中的引力相互作用和弱相互作用，因此与物质的相互作用很弱，难于在实验中探测到 每一种中微予都是稳定的，并且不同种的中微子之间并不相互转化( 振荡) 从现有实验 来看，中微子有质量并且可以混合，但是值很小现在讨论两代中微子混合的情形，与 e 一相联系的中微子，与p 一联系的中微子是唯，但和都不是质量的本征态令中 微子的两个质量本征态是i 耽 和iv , 2 ，代的混合可表示为 蚪 c o s 0 9c 刚o s 0 ， c 力 即 i 虼 = c o s 0in + s i i l 口i 屹，i = 一s i n 0l = 1 + c o s 0i 屹 ，( i 3 ) 口是和脚的混合角 假设江0 时产生了圪，可以表示为 lv ( 0 ) = j 圪 = c o s 0in ( o ) + 8 i n 口i 耽( o ) ，( 1 4 ) 经过t 时间后，态演化为 l 二，( t ) = c o s 0in ( t ) + s i n 0i 屹( t ) = c o s 0e - - t 两in ( o ) + 咖pe 一玩l 圪( o ) ，( 1 5 ) 其中e z = 诉硐，易= “硼，由于仇z 讹，而易，显然中微子态中包含有 的成分； lv c t ) = ( c o s 20 e 一夙。+ s i n 20 e 一勃。) 1 + s i n e c o s 0 ( e 一啦。一e 一而。) i 唯 ，( 1 6 ) 存在的概率为 l 1 2 = 石i l8 砰2 口【1 一c o s ( e 1 一岛) 司，( 1 7 ) 从上面公式可以看出来，这概率随时间作振荡，最小时为零，最大时为s i n 22 口如果混合角 是4 5 。，则最大时为1 ，即表现为纯态 现在实验给出的中微子的质量很小，它上远小于衰变所放出的中微子的动量，即佻 p ，所以有如下的关系式， ( 而一e 2 ) t - - - - + 亟2 p + 和= 擎岛 ( 1 8 ) 2 双荷电标量粒子的单产生和顶夸克伙伴t 的联合产生 考虑到中微子实际以光速运动，t 时间走过的距离工= t 则上式可以写作 i 1 2 = 8 i n 22 p s i n 2 f 竺学捌， ( 1 9 ) 气y 即观察到坳的概率走过的距离作振荡振荡的周期长度为尚若m 2 一确= m 2 以 e 俨为单位，p 以m e v 为单位。则上式可以表示为2 4 8 爰糍单位为m 从这个式子可 以看出，如果a m 2 是e 俨量级或更小的量，中微子振荡的周期可以是一个宏观的距离， 则发生振荡的机会较大 如果中微子是通过原子核反应或卢衰变而来的，则中微子的能量和动量是m e v 的量 级，当它运动一段距离后再去和其他粒子碰撞时，其中的成分还可以通过过弱相互作 用再产生电子，的成分则应通过弱相互作用而产生p 子 中微子振荡实验 中微子和反中微子来源可以有3 个： ( 1 ) 太阳中微子一从太阳内部的轻核聚变过程产生的中微子这些中微子产生于太 阳内部以真空光速的速度传播8 分多钟达到地球，产生时主要是电子中微子，它们的能量 是m e v 的量级 太阳发热的能源来自核反应，从上面讨论可知，通过这些反应产生太阳中微子，射出 的这些中微子应是圪射到地球上过程中会发生原子核反应从而产生电子，但实际观察 到的电子比预言的少对这种结果的一种解释是由于中微子振荡，一部分虼运动到地球 表面过程中演化成，进而转化为j 子 ( 2 ) 大气中微子一原始高能宇宙线粒子射入大气层后，和大气中的原子核碰撞产生 大量的次级宇宙线粒子这些粒子中大部分是，r 介子，霄介子再经过如下的连续衰变过 程产生中微子； 丌一 p 一+ ，霄+ 一p + + 唯 p 一- + e 一+ 玩+ 咋，矿_ + e + + + ， 由此可见，大气中微子产生时产生的电子中微子和p 中微子的比例是确定的它们的能 量至少要比太阳中微子大一个数量级 ( 3 ) 反应堆中微子从核反应堆中引出的中微子，主要是电子中微子，它们的能量 也是核衰变的范围实验测量到中微子有质量是物理学发展史上的一个里程碑的突破， 它说明粒子物理的标准模型需要完美和发展，同时，有质量的中微予是宇宙暗物质候选 者之一研究中微子是物理学的一个机遇，也是一个挑战 中微子振荡实验已经取得了很大的成就过去的太阳和大气中微子丢失之迷现在已经 得到解释并成为了测量中微子质量和混合参数的重要方法三个中微子质量之间有两个平 方差，即确1 、嘲2 利用太阳中微子振荡实验，人们测得了确1 - 7 6 5 + - 0 02 。3 0 1 0 一5e 俨【5 】 通过大气中微子振荡实验，人们仅知道了嘲2 的大小，l 峭。i - - 2 ，+ - 。0 。1 2 。，、v 1 。、一3e 俨【6 】对 于三个混合角，人们已经知道了两个，即s i n 2 0 1 2 皇03 0 4 + 0 0 2 2 ，8 i n 2 皇05 + o 0 7 r n 对于 第三个混合角，人们只得到了它的上限，即s t 2 口，3 o 0 1 驾m 0 1 6 ，h r q l 但，人们还不清楚中微 子的绝对质量 3 双荷电标量粒子的单产生和顶夸克伙俘t 的联合产生 第三个混合角巩3 与大气中微子振荡尺度的圪分量有关s i n 2 口，3 的上限是由法国的 c h o o z 核反应堆实验给出的该实验的升级成为双c h o o z ，采用两个探测器来减小系统 误差，预期可以将探测的精度提高一个量级日本和美国正在计划建造改善的长基线的 加速器中微子实验来测量以3 ，分别称为j 2 k 和n o v a 这两个实验也将对探测的限制有 明显的建造 原则上来说，大气中微子实验也可以像太阳中微子实验一样，通过考虑在传播过程中 地球对圪的影响来确定a m 2 。的符号然而这一过程由于在大气中微子振荡尺度分量 ( 即s i n 2 口- 3 ) 太小而被大大压低了如果口。3 接近于它的上限，则人们可以从s k 的大气 中微子实验和将来的i n o 实验确定出硼。的符号 对中微子绝对质量最可靠的估计来自于对氖卢衰变末端谱的研究它给出了巩( 或 巩占主导的质量本征态) 质量的一个上限，即m h 2e v 一个更大的氚卢衰变实验正在 德国建造，称为k a t r i n 它探测这一质量的精度将达到0 3e v ，然而这仍与现在测量质 量平方差的所达到的精度差一个量级当前还有很多中微子实验正在运行和建造中，这 些实验将更加精确测量中微子质量和混合的有关参数，这有助于我们探索超出s m 的新 物理 1 2 可能的新物理理论 虽然迄今为止标准模型已经取得了巨大的成功，但是在它取得成功的同时仍然存在 着一系列问题，例如： ( 1 ) 为了使电弱对称性破缺，在标准模型中引入了标量场但目前在实验上并未测到 它的存在，所以人们有理由怀疑标准模型中的标量场部分，并寻求令人满意的电弱对称 性自发破缺机制 ( 2 ) 标准模型中存在大量的自由参数【9 】，如带电轻子的质量、c k m 矩阵元中的c a b i b b o 角和c p 破坏的相因子等 ( 3 ) 平庸性问题，即标准模型不是在任意能标下都适用的它只是一种低能的有效理 论，这个问题的存在说明标准模型不是完全自洽的理论 ( 4 ) 不自然性御规范等级) 问题【1 0 】，由h i g g s 标量场自能的圈图修正( 是平方发散的) 而弓l 起的为了得到合适的h i g g s 质量，必须对模型参数进行精细调节，而对于这样一种 描述基本相互作用的理论来说很显然是不自然的在大统一理论中即体现为规范等级问 题 ( 5 ) 中微子质量问题等等 为了解决标准模型中存在的这些问题人们引入了各种新物理理论由于标准模型是 一种低能有效理论，即它在低能标处与实验值吻合的较好，所以在新物理理论中通常在 低能标处保留标准模型的群结构而在高能标处对标准模型群结构进行扩展，同时引入新 的机制和方法用来解决标准模型中存在的问题较有代表性的新物理有；$ e e s g t o 机制， 小h i g g s 理论( l i t t l eh i g g sm o d e l ) 、以及l r t h 模型( l e f t r i g h tt w i n sh i g g sm o d e 0 11 等 4 u ( 1 ) y 下唯一允许的量纲为5 的算符最初的s e e s a w 机制【1 3 】，也就做s e e s a wi 机制，是 在高能标下引入右手中微子单态n s ( y = 0 ) s e e s a wi i 机制【1 4 】利用一个复标量场 ( y = 1 ) 扩展了标准模型s e e s a w m 1 5 1 引入无色的费米子三重态e ( y = 0 ) 重中微 子n m l 6 ，标量三重态a 1 7 和费米子三重态e 1 1 8 及它们可能的信号很多的文献中都研 究过，在一些大统一理论中 1 9 3 还将i 和结合在一起，同时弓l 入到模型中如果模型中 引入的新粒子n x ，a ，z 不太重且具有电弱标度量级的质量，那么它们就很有可能在l h c 上产生并观测到，就会揭示中微子质量的真正物理机制 在标准模型中引入s e e s a w 机制，可以很好的解决中微子小质量问题电弱对称破却 的条件下，中微子的m a j o r a n a 质量可以写作m y 一, c u 2 a ，这里z ，2 4 6 g e v 是标准模型中 标量粒子的真空期望值( y 五y ) 当f l a y l e v 时，s e e s a w 机制中a 1 0 1 4 1 5 且a v o ，一 是耦合常数 8 e e s g w 机制的基本思想分为三种：s e e s a wi ，s e e s a wi i 和s e e s a w ，以下给出三种机 制的主要内容 s e e s a wi ，在高能标下引入右手中微子单态n r ，在标准模型规范群s u ( 3 ) c s v ( 2 ) 二 u ( 1 ) y 下用( 1 ，1 ，o ) 表示n r 不具有标准模型规范群的相互作用轻中微子质量m ，通过 仇p 一记护m m , 给出，铷是y u k a w a 耦合参数，蛳r 是右手中微子的质量，它的质量是很 重的，量级在新物理标度若铷一1 为了获得e y 或更小量级的中微子质量，m n n 就要求 具有1 0 1 4 1 5g e v 的量级这就使得在目前的高能实验不能直接测量n r 但是，y u k a w a 耦合参数y v 也可以不是1 的量级如果它与电子的y u k a w a 耦合参数量级类似或更小，则 m i v r 具有t e v 的量级，这就使得有可能在l h c 上直接测量到n r s e e s a wl i ，在标准模型下引入一个h i g g s 三重态表示为，中微子质量写作m l ，匕弘 5 双荷电标量粒子的单产生和顶夸克伙伴t 的联合产生 这里弘是三重态中性部分的y 肼，匕是y u k a w a 耦合利用一个二重态和三重态的混合， 其中涉及到一个无量纲的参数弘，电弱对称性破缺后产生一个关系式弘一i j r 。肛瑾，这里 胍是三重态的质量这种情况中，标度a 由蛾肛所取代当铷一1 时，p 一姚1 0 1 4 - - 1 5 ， 标度a 也是1 0 1 4 - 1 5g e v 的量级 s e e s a w s 引入轻子三重态。通过二给出lt ( 1 ，3 ，o ) 来产生中微子的质量矩阵可 以产生中微子质量m p 一犷瑶m ，高能标a 被s u ( 2 ) l 三重态表示的轻子质量所代替 如果g s ， e 这些粒子不太重，具有电弱标度量级的质量，那么它们就很有可能在 l h c 上产生并观测到它们存在的信号，从而揭示中微子质量的真正物理机制 小h i g g s 模型的基本思想 超出标准模型的新物理的主要动机之一就是解决电弱标度和普朗克标度间的等级问 题和精细调节问题超对称理论引入扩展的时空对称并且对h i g g s 质量的平方发散的辐 射修正由于标量粒子和费米子伙伴间的对称而被抵消，自然稳定了电弱标度人工色理 论在稍高于电弱标度处引入新的强动力学，从而延缓了规范等级问题近来，一类被称 作“小h i g g s ”的电弱对称性破缺的模型通过部分破缺的整体对称性的出现，使h i 9 9 8 质 量在单圈阶免于平方发散的辐射修正，从而引起了人们的极大关注 小h i g g s 这类模型中h i g g s 是赝哥尔斯通玻色子a r k a n i - h a n m e d , c o h e n 和g 鲫孪建构了 第一个成功的小h i g g s 模型 2 0 ，2 1 2 2 1 ，随后一批小h i 9 9 8 模型被建构这些小h i g g s 型根 据整体对称群的破缺类型分为，s v ( 5 ) s o ( 5 ) ，s v ( e ) s p ( 8 ) ，最小f t t o o s es u c s ) 2 s u ( 3 ) ，一般 m 0 0 8 e ss u c 3 ) l s v ( 3 ) k 小h i g g s 这类模型通过都分破缺的整体对称性的出现，使小日咖8 模型中新引入的重规范玻色子引起的h i g g s 质量的平方发散，与标准模型中规范玻色子引 起的h i g g s 质量的平方发散相互抵消，引入一个重的费米子态和额外的重标量场，用来抵 消相应的顶夸克引起的h i g g s 质量的单圈平方发散和h i g g s 场自身引起的单圈平方发散 最小h i g g s 模型( 简称工日模型) 是小h i g g s 思想的最简单的实现，是标准模型的最小 扩充五日模型基于一个s v ( 5 ) s o ( 5 ) 非线性口模型它始于s u ( 5 ) 整体对称性，在a l 标 度，通过，量级的真空期待值破缺至它的子群s 0 ( 5 ) 同时，规范对称群p u ( 2 ) x 矿( 1 ) 】2 破 缺到它的对角子群s u ( 2 ) xu ( 1 ) ，这个对角子群可以看作标准模型中的电弱规范群本文 将主要在l h 模型下，详细讨论顶夸克伙伴t 和标量粒子的联合产生 d r t h 型简介 如果电弱对称是通过h i g g s 机制破缺的，那么标准模型中标量粒子的质量下限 2 3 1 为： m h 1 1 4 g e v ；( 1 1 2 ) 而精细测量要求【2 4 】： f r t h 2 1 9 g e v ( 1 1 3 ) 标量粒子质量的v - ：y 发散辐射的领头阶修正项，要求新物理在t e v 量级上；另一方面， 精细测量限制新物理的截断能标在5 1 0t e v 之上所以，对精细调节的要求变得很严 格，即为小等级问题【2 5 】 6 给标量粒子质量的主要平方发散被包括重规范玻色子的圈图取消，而标准模型顶夸克对 h i g g s 势的平方发散贡献被来源于顶夸克伙伴t 的贡献抵消其中重规范玻色子和顶夸克 伙伴t 都是l r t h 模型中预言的新粒子，在对撞机上具有丰富的现象学，所以这些新粒 子都极有可能在高能对撞机上被探测到 1 3 工作简介 虽然标准模型取得了很大的成功，但在标准模型下仍然有许多无法解决的问题中微 子振荡实验说明中微子是有质量的，并且是振荡的因此，探索新物理是目前粒子物理 领域非常重要的课题为了解决中微子的质量问题，许多新物理模型已被提出，比如左 右对称模型，3 - 3 1 模型，标量粒子三重态模型等等 首先研究了标量粒子三重态模型所预言的双荷电标量粒子，由于双荷电标量粒子它 不能与夸克之间相互作用，只能与轻子相互作用，使中微子获得合适的质量，并且能够在 对撞机上产生明显的实验信号，这对s e e 8 删机制的研究有重要的意义因此我们首先介绍 了标量粒子三重态模型，计算了日士士与e 7 碰撞的过程结果发现这些过程能够对y u k a w a 耦合常数b 和质量参数产生严格的限制考虑到这些限制，我们进一步讨论了日士士 在高能直线对撞机( 儿上的轻子味破坏信号，结果表明z 在参数空间o 0 0 1 e v m o l e v 3 0 0 g e v m s 6 0 0 g e v 内，考虑正常和非正常条件下，通过针_ e + h 一过程有可能 在将来的i l c 和l h e c 实验中观测到日士的信号我们还研究了在i l c ，和l h e c 上通 过日一和e y 碰撞，标量粒子三重态模型预言的双荷电标量粒子日士的单个产生，即通 过过程e 7 一e + h 一，e yo 矿日和吖_ r + 日一来检验标量粒子三重态模型我们计算 7 i x 荷电标量粒子的单产生和顶夸克伙伴t 的联合产生 了这三个过程的产生截面，还分析了这三个过程的信号和背景，结果表明；在儿c 上产 生的截面大于l 日e c 上，在合理的参数值下，产生的截面在i l c 上的值更容易观测到 另外，我们讨论了荷电标量粒子与顶夸克伙伴在在l h 和l r t h 模型下的联合产生，并 且预言了它们在l h c 上的可能观测信号我们的数据结果显示，在l h 模型下，当，= 5 0 0 c , e v 时，截面可能达到6 3 7 1 ，并且随着，的增大而迅速减小在l r t h 模型下，当5 0 0 g c v ，s1 5 0 0 c j c v ，l f f l , h = 3 5 0 刚，m 名2 0 0 刚时，产生截面在4 9 f b 一3 3 1 0 2 f b 之间，在 l r t h 模型中，t 一可在l e o 上产生传播到弼6 6 末态，产生率可以达到1 6 7 2 f b 。产生的 信号在助- + 珊一+ x _ + 蕊b + x 过程中可能被探测到 本文的结构如下；在第二章对标量粒子三重态模型进行简单综述；第三章和第四章是 自己的工作部分，也是该论文的核，t , - ，主要讨论了双荷电标量粒子日士士在高能对撞机上 的可能信号，并给出了我们的计算结果第五章对该论文进行了简单的总结，并对相关 问题做了简要的讨论 8 量三重态一( 1 ，3 ，1 ) 组成，标量三重态的矩阵可以写作： = ( 訾一玩) ， h i g g s 势b r 的形式如下： v=m 2 ( 圣圣) + 入1 ( 圣+ 雪) 2 + m 2 t r ( a f a ) + a 2 t r ( a t a ) 2 + a a d e t ( a t a ) + k ( 圣t 圣) t f ( t ) + 沁( 圣n 圣) 2 r ( 露) + 【：历1 弘( 圣t 打2 t 圣) + c 1 ( 2 3 ) 圣= ( 矿，扩) r ，p 是耦合常数p 圣圣项产生的中性三重态o 的地为； 蚣篁删2 2 m 2 ， ( 2 4 ) 需要注意的是质量本征态日土士完全由三重态场( 日士士置矿+ ) 构成，而日士主要由萨构成， 还有少部分的同位旋二重态标量( 圣) 中微子质量项表示为 z y = 一匕z z 骁眈脚工+ h c ，( 2 5 ) 其中c 为电荷共轭算符，矽c 暑c ( 劢? ，而标量的相互作用写为 、 v ( h , a ) = - m 2 h h t h + 会( 日日) 2 + m 盖t r a t a + ( p 日t i a 2 a t h + 厶) + a i ( h t h ) t r a t a + a 2 ( t r a t a ) 2 + a z t r ( a t a ) 2 + 九日t t 鼠( 2 6 ) 以上等式中y u k a w a 耦合常数k 是3 3 矩阵z z = ( 堙，e z ) ，0 2 是泡利矩阵因为我们主 要对标量粒子三重态感兴趣，且磁瑶2 ，所以我们忽略系数入1 ，入2 ，入3 的作用在 这种情况下我们来讨论一些关于这个模型中中微子质量的性质 9 轻子混合矩阵可以写为s c 1 2 c 1 38 1 2 8 1 3 8 1 3 e 订 v p m n s2i - - 8 1 2 c 2 3 一c 1 2 8 2 3 8 1 3 e 订 c 1 2 c 2 s 一8 1 2 8 s 1 3 e 访8 2 3 c 1 3i ， ( 2 1 0 ) 8 1 2 3 2 3 一c 1 2 c 2 3 s 1 3 e 钳一c 1 2 8 2 3 一a n c 蛤s 1 3 e 诌c 2 3 c 1 3 ， 其中叼= 咖，叼= c o s o 订，6 是d i r a c 相与6 的取值范围为0 0 0 丌2 ， 0 6 2 7 r 对于m a j o r a n a 中微子( 在h t m 模型中) 将出现两个额外的相，那么混合矩 阵变为 v = v p u s d i a g ( 1 ，e 砷l 2 , e 洳2 ) ，( 2 11 ) 其中咖和如就是m a j o r a n a 相，并且有一丌- 。也 0 时，是正常的等级( n a ) 其中m l m 2 m 3 ；当 确1 0 时则是相反的情况，即m 3 化 m l ，是非正常等级( x h ) 在对称破却条件下，标量粒子的可以写为 日l = c o s o o h o + s i n o o a o ，飓= 一s i n o o h o + c o s o o a o ，o o 2 v a ， 均 1 0 其中 呒c + h e l i e l g t + h 斗e l i ( 2 z 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 态，并且它的质量满 ( 2 z 7 ) ( 2 1 8 ) r + 一湖“+ 警曙m s ，r + + = 哗m s 荔f r t v d i 云a g 曙, m n , s k ( 2 1 9 ) 其中耦合常数r + 和r + + 由中微子的质量谱和混合角所决定h i g g s 玻色子中的轻子衰变 道日+ + _ e + 寸和日+ - 寸矿慨= e ，p ，r ) 对应个中微子质量范围被赋予不同的值 以上是对标准模型模型的简单扩展后的主要特点和预言，这个模型中通过s e e s a w 产 生了中微子的质量 2 2h t m 预言的标量粒子的相关耦合 h t m 预言七种标量粒子，两个c p 一鲫饥中性标量粒子日l 和日2 ，一个c p o d d 中性 标量粒子a ，一对单荷电标量粒子日士，一对双荷电标量粒子日士士从前面的讨论预言 了七种粒子，与我们相关的是荷电和双荷电的标量粒子，所以我们给出与计算相关的双 荷标量日一的相关耦合 标量粒子与规范场耦合； h + + h w z h 吨斗w i w ： h 啼h 2 w i h 啼a w ： h 斗h 测i h 斗z 川； 锄c o s 钆 1 一龙) p ， i 怕；哈g 炒， 一t 譬( 讵c o s “鲫如+ s i n 6 1 0 如“) ( p l 一耽) p ， 譬( 以c 0 8 钆c 0 8 q + s i n a 8 m 钆) ( p l 一耽) p ， 一t 譬( 讵c o e o + s i n o o - c o s o o s i n o + ) ( p l 一优) p ， 一l t c o s 0 , o s i n o + 峋一以c 0 8 以( 2 9 + 馥) 魄) 嘶， ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 态的可能衰变道有以下几种； h 啤啼_ 咭畸，w 啤w 啼 日+ - 矿，最稿，w + z , w + h 日。阮吻，玩乃，矗，丽，厅+ 弛z z ，日日 酽_ 掣j 。可毋j ，侥，弱，行+ 订，z h 为了清楚的看到双荷电标量粒子日+ + 和荷电标量粒子物理上的特点， 部分衰变宽度( m 日m w ) 首先看双荷电标量粒子， ( 2 3 0 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 我们讨论了的 r ( h + + _ z z ) 2 石丽碉1 l b1 2 m 珥+ ， ( 2 3 4 ) 即+ + _ 阱吩) = 最42 地l 怎记) 器筑， 睢嗍= 盎m 舳警暂“3 6 ) r ( 日+ + _ 日+ 丌+ ) = 竺寄4 3 2，(237) r ( 日+ + _ 日+ e + + ) ( ) ) = 糕， ( 2 3 8 ) 其中w l ( w r ) 代表玻色子的纵向濮向) 分量，a m = m 日+ + - - m ，铂= 怒 1 2 p p - - 砺1 i ( m l e - i x ( 一8 1 2 c 2 3 - - e - 3 c 1 2 8 1 3 鼢) 2 + 抛( c 1 2 c 2 3 - e - 珏8 1 2 8 1 3 8 2 3 ) 2 + 衲e - i 2 砖3 磊( 2 4 3 ) r r = 万1 i ( m - e 一细1 ( 8 1 2 8 2 3 - - e - - i 溶c 1 2 8 1 3 c 2 3 ) 2 + 耽( 一c 1 2 8 2 3 - e - 话8 1 2 8 1 3 c 2 3 ) 2 + m 3 e - 2 砖3 磊( 2 4 4 ) ，= 了丢( m l e - i 垂1 c 1 2 c 1 3 ( 一8 2 2 c 2 3 - - e - - 硒c 1 2 8 1 3 8 2 3 ) + 仇2 8 1 2 c 1 3 ( c t 2 c - - e - - 掰8 1 2 8 1 3 8 2 3 ) ( 2 4 5 ) + 椭e ( 占一屯) 8 1 3 c 1 3 8 2 3 计= 了去( m i e - i 1 c 1 2 c 1 3 ( 8 1 2 8 2 3 - e - 谚c 1 2 8 1 3 c 2 3 ) + m 2 8 1 2 c 1 3 ( c 1 2 8 2 3 - - e - - 锘8 1 2 8 1 3 c 2 3 ) ( 2 4 6 ) + m 3 e ( 扣锄) 占1 3 c 1 3 c 2 3 妒= 了去( m ，e 一吼。s - e - t 占c 1 2 8 1 3 c 2 3 ) ( 一8 ，。c 船- e - 访c 1 2 8 1 3 3 2 3 ) ( 2 4 7 ) + m 2