（理论物理专业论文）具有t宇称的最小higgs模型在ilc上的可能物理信号.pdf

具有t 宇称的最小h i g g s 模型在i l c 上的可能物理信号 摘要 内容摘要：标准模型( s m ) 的建立是2 0 世纪物理学取得的最重大成就之一尽管 s m 是比较成功的理论，但是它仍存在自由参数较多、平庸性、不自然性等问题， 部分实验对某些物理量的测量值与s m 的理论预言也有明显偏差因此人们普遍 认为s m 仅是一种低能有效理论，在s m 之外应该有新物理存在小h i g g s 理论是 一个可能的新物理理论 本文对小h i g g s 理论总体进行了简单综述最小h i g g s 模型( l h 模型) 是最简单 的小h i g g s 模型之一，它具有小h i g g s 模型的所有基本特征尽管如此，精确电弱 测量数据对l 日模型有很强的限制，人们必须对日模型的参数进行精细调节。为 了避免精细调节问题，人们在l h 模型中引入一个叫t 宇称的分立对称性，引入t 宇称之后的l h 模型称为l h t 模型l h t 模型是目前很吸引人的小h i g g s 模型之 一，我们的主要工作是在l h t 模型框架下做的l h t 模型预言了很多新粒子， 这些新粒子在即将建成的大型强子对撞机( l h c ) 上以及未来的国际高能直线对撞 机( i l c ) 上可能产生明显的信号对l h t 模型所预言的新粒子进行唯象研究，可 以为i l c 、l h c 等实验探索这些新粒子提供理论预言，进而检验l h t 模型 我们首先计算了l h t 模型对e + e 一一z h ，e + e 一一压蚝日和e + e 一一f i r 过程产 生截面的修正，给出了可供实验检验的理论预言这一结果对人们研究h i g g s 玻 色子的特性，以及探测s m 以外的新物理都有一定的参考价值 其次，我们考虑了t - o d d 轻子对的产生，并且讨论了在将来的i l c 实验上探测这 些新粒子的可能性我们发现，只要t - o d d 轻子不太重，它们就能通过e + e 一一厶三。 过程大量地成对产生，并且它们的信号有可能在将来的i l c 实验上探测到因此， 我们期望将来的i l c 实验能够成为探测l h t 模型预言的t - o d d 轻子的一个理想的 工具 最后，我们考虑了t - o d d 标量粒子( 圣士，圣。和护) 和t - o d d 规范玻色子在l h c 上 的联合产生虽然产生截面在大部分l h t 模型的参数空间内是很小的，但是， g 矿一圣+ b 过程能够产生一个带电轻子加上大的丢失能量这样一个特有的信号， 因此，l h c 可能通过这个过程探测到圣+ 的可能物理信号 关键词：最小h i g g s 模型，t 宇称，国际高能直线对撞机( i l c ) ， 新规范玻色子 具有t 字称的最小h i g g s 模型在i l c 上的可能物理信号 a b s t r a c t c o n t e n t ：t h es t a n d a r dm o d e l ( s m ) i so n eo ft h eg r e a t e s ta c h i e v e m e n t si np h y s i c s i nt h e2 0 t hc e n t u r y t h es m 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 e sh a sa c h i e v e d m u c hs u c c e s s h o w e v e r , i ts u f f e r sf r o mt h ep r o b l e m so ft o om a n yf r e ep r a m e t e r s ， t r i v i a l i t ya n du n n a t u r a l n e s s ，e t c i ts t i l ls u f f e r ss o m ed e v i a t i o n sf r o me x p e r i m e n t a ld a t a p e o p l eu s u a l l yt a k et h ev i e wt h a tt h es mi sal o we n e r g ye f f e c t i v et h e o r ya n di tw i l l b em o d i f i e da tah i g h e rs c a l e t h el i t t l eh i g g st h e o r yi so n ek i n do ft h ep o p u l a rn e w p h y s i c a lt h e o r i e s a tt h ef i r s tc h a p t e rw eh a v eg i v e nab r i e fi n t r o d u c t o no ft h el i t t l eh i g g s t h e o r y l hm o d e li so n eo ft h es i m p l e s th i g g sm o d e l s ，i th a sa l le s s e n t i a lf e a t u r e so ft h el i t t l e h i g g sm o d e l s h o w e v e r , t h el h m o d e ls u f f e r sf r o ms e v e r ec o n s t r a i n t sf r o mp r e c i s i o n e l e c t r o w e a km e a s u r e m e n t ，w h i c ht o d do n l yb es a t i s f i e db yf i n er u n n i n gt h em o d e l p a r a m e t e r s t oa v o i dt h i sp r o b l e m ，t - p 撕t yh a sb e e ni n t r o d u c e d ，w h i c hf o r m sc a l l e d l h tm o d e l t h el h tm o d e li so n eo ft h ea t t r a c t i v el i t t l eh i g g sm o d e l s m o s to f w o r k so ft h i sa r t i c l ea r ed o n ei nt h i sm o d e l l h tm o d e l p r e d i c t ss o m en e wp a r t i c l e s w h i c hm a yb ed e t e c t e db yf u t u r eh i 曲一e n e r g yc o l l i d e re x p e r i m e n t s ，s u c ha sl h ca n d ll c i th a sg r e a ti m p o r t a n c et oi n v e s t i g a t et h en e wp a r t i c l e s w ef i r s te s t i m a t et h ec o r r e c t i o n so f t h el h tm o d e lt ot h ep r o d u c t i o nc r o s ss e c t i o n o f t h e p r o c e s s e se + e 一一z h ，e + e 一_ p , v , ha n de + e 一_ t h ，a n dg i v eat h e o r e t i c p r e d i c tt h a tc a l lb et e s t e db ye x p e r i m e n t s t h er e s u l t sa r ev e r yi m p o r t a n tf o rs t u d y i n g h i g g sp r o p e r t i e sa n dt e s tn e wp h y s i c sb e y o n dt h es m s e c o n d ，w eh a v ec o n s i d e r e dp a i rp r o d u c t i o no ft h et - o d dl e p t o n sa n dd i s c u s s e d t h ep o s s i b l eo fd e t e c t i n gt h e s en e wp a r t i c l e si nf u t u r ei l c e x p e r i m e n t s w ef i n dt h a t , a sl o n ga st h et - o d dl e p t o n sa r en o t t o oh e a v y , t h e yc a l lb ec o p i o u s l yp r o d u c e di np a i r s v i at h ep r o c e s s e se + e 一一l t l ja n dt h e i rs i g n a t u r e sm i g h tb eo b s e r v e di nf u t u r ei l c e x p e r i m e n t s t h u s ，w ee x p e c tt h a tt h ef u t u r ei l ce x p e r i m e n t sc a nb es e e na sa ni d e a l t o o lt od e t e c tt h et - o d dl e p t o n sp r e d i c t e db yt h el h tm o d e l f i n a l l y , w ec o n s i d e rp r o d u c t i o no ft h et - o d ds c a l a r s ( 西士，西。和圣p ) i na s s o c i a t i o n w i t ht - o d dg a u g eb o s o n sa tt h el h c t h ep r o d u c t i o nc r o s ss e c t i o n sa r es m a l li nm o s t o ft h ep a r a m e t e rs p a c eo ft h el h t m o d e l h o w e v e r , t h ep r o c e s sq q i _ 圣+ b hc a n g e n e r a t et h ec h a r a c t e r i s t i cs i g n a le v e m s w i t ha c h a r g e dl e p t o na n dl a r g em i s s i n ge n e r g y , t h ep o s s i b l es i g n a t u r eo f 西+ m i g h tb ed e t e c t e dv i at h i sp r o c e s sa tt h el h c k e y w o r d s ：l i t t l e s th i g g sm o d e l ，t - p a r i t y , h i g h e n e r g yl i n e a re + e c o l l i d e r ( i l c 0 ， n e wg a u g eb o s o n s 2 学位论文独创性声明 本人承诺，所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果论文 中除特别加以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的 研究成果，其他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做 了明确的声明并表示谢意 学位论文作者签名：日 期： 学位论文版权的使用授权书 确醇宝 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借 阅本文授权辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 并进行检索，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使用本授权书 学位论文作者签名： 确 臻 第一章引言 1 1 标准模型简述 自然界中存在四种基本相互作用t 电磁相互作用，引力相互作用，强相互作 用，弱相互作用物理学家们一直希望把这四种相互作用统一起来进行描述到目 前为止仍然没有获得成功，但人们已经将除孕j 力外的其它三种相互佑胃成功地 统一在标准模型( s m ) 理论框架之中s m 1 ，2 】描述了电，弱、强三种相互作 用及组成所有物质的基本粒子的物理现象，可以很好地解释和描述基本粒子的 特性及相互间的作用s m 是一个基于规范对称群s u ( 3 ) cxs u ( 2 ) lxu 0 ) y 的量子场理论这个对称群包括强相互作用群s u ( 3 ) c ，电弱相互作用对称群 s u ( 2 ) lxu 0 ) r 电磁相互作用对称群u ( 1 ) 唧是s u ( 2 ) l u ( 1 ) y 的个子群 从这点来看，电磁相互作用和弱相互作用是统一的理论的定域规范不变性要求 规范玻色子必须是无质量，而事实上，传递弱相互作用的玻色子是有质量的，如： m w ，m z 0 这表明s u ( 2 ) 工xu ( 1 ) r 并非具有真空对称性而光子无质量表明 u ( 1 ) 帆具有很好的真空对称性。因此，在s m 中，自发对称性破缺的模式为t s u ( 3 ) cxs u ( 2 ) l u ( 1 ) r _ s u ( 3 ) c u ( 1 ) e m 第一代第二代第三代 夸 廿ct 克 dsb 轻 e p 7 - 子v e 表1基本费米子 s m 根据白旋将粒子分为费米子和玻色子两大类基本费米子是自旋为1 2 的轻子和夸克轻子和夸克根据味的不同分成三代，每代都是一对粒子如表1 轻 子和夸克之问通过自旋为l 的规范玻色子进行相互作用，规范玻色子是自旋s = 1 的矢量玻色子，它包括：八个无质量的胶子，一个无质量的光子和有质量的士 和z 玻色子八个胶子传递夸克之间的强相互作用；光子传递电磁相互作用；w 士 和z 传递弱相互作用胶子无质量，是电中性的且具有色量子数带有色量子数 是因为它们不仅和夸克之间有相互作用，而且它们之问也有自相互作用士和 z 玻色子有质量，而且具有自相互作用光子无质量、不带电、无自相互作用 通过h i g g s 机制，彤士、z 和费米子都可以获得质量。同时，也弓l 入了一个新粒 具有t 宇称的最小h i g g s 模型在i l c 上的可能物理信号 子：h i g g s 玻色子但是到目前为止，实验上仍未找到这个粒子 量子色动力学( q c d ) 和s u ( 2 ) l u ( 1 ) y 电弱规范理论组成了粒子物理学中 的s m 该理论的建立是2 0 世纪物理学取得的最重大成就之一迄今为止，标 准模型被认为是最有效的一个唯象理论而且，它已被大量精确测量的实验数据 所证实，例如规范玻色子、z 的发现；粲夸克( c h a r m ) 、底夸克( b o t t o m ) 的 确认；顶夸克( t o p ) 被c d f 、d o 实验组的发现【3 】但是该理论仍存在许多问 题，如：大量的自由参数 4 】4 ，平庸性问题 5 】，不自然性等问题【6 】6 等等 1 在标准模型中为了使电弱对称性自发破缺，引入了基本h i g g s 标量场但 在实验中至今没有探测到它的存在 2 s m 中存在大量的自由参数，至少有1 9 个：对应于规范群s u ( 3 ) c 、 s u ( 2 ) l 、u ( s ) y 有三个耦合参数g a 、g 、9 ，；6 味夸克和3 个带电轻子的质 量；c k m 矩阵元中3 个c a b i b b o 角，1 个描述c 尸破坏的相因子；h i g g s 势能 中有2 个参数；另外还有1 个q c d 的真空相角 3 平庸性问题 在s m 中引入了基本标量场的自相互作用a 扩，其跑动耦合常数a ( q 2 ) 满 足的重整化群方程为t q 2 d a r l ( q 2 ) ：p ( a ( q 2 ) ) ：可3 a ( q 2 ) 2 ， ( 1 1 ) 上式的解为： a ( 驴) 2f 甄a 0 碍，( 1 2 其中q 为某参照能标，a 为正规化截断能标，a o = a ( a 2 ) 为正的有限常数显 然，当a o o 时，对于任意有限的能标q ，入( q 2 ) = 0 ，标准模型的h i g g s 部 分变成了自由场理论，此相互作用具有平庸性这就意味着标准模型并不是在任 意能量标度下都适用的理论，它只是更基本理论的一种低能有效理论 4 不自然性问题 在s m 中，对h i g g s 质量的二次发散主要来自于顶夸克、规范玻色子的单圈 图，以及h i g g s 的自相互作用，其费曼图如图1 1 图1 1s m 中对h i g g s 质量二次发散贡献最主要的费曼图 2 ，j 、，j， ， 、 ， s ，口6 f - g l 一、峪 ， ， ， ， ， ， 具有t 宇称的最小h i g g s 模型在i l c 上的可能物理信号 经过计算，可得到h i g g s 质量在单圈水平下的修正为： 6 m 2 一a a 2 ， ( 1 3 ) 将质量重整化后可得到h i g g s 粒子物理质量与裸质量的关系为； m 备= b 人2 + a a 2 ( 1 4 ) 若取a 为普朗克标度1 0 1 9 g e v ，而h i g g s 玻色子质量为1 0 2 g e v 的量级，则此标 度比h i g g s 玻色子质量大约要高1 7 个量级这样只有月，b 精确调节到1 0 3 4 ， 才能得到质量为1 0 2 g e v 的h i g g s 玻色子对于一种描述基本相互作用的理论， 这显然是不自然的若要求a ，b 只调节到1 0 ，则 a + b ：1 0 4 矿g e v ：1 0 ， 可得到a = 1 t e v ，这就意味着在t e v 量级上要出现新的物理 1 2 新物理理论与最小h i g g s 模型简介 1 2 1 可能的新物理理论 尽管高能实验已经验证了s m 是很成功的理论，但是，标准模型还存在着 许多问题为克服s m 引入基本标量场而带来的一系列问题，人们提出了一些超 出标准模型的理论，统称新物理( j i 、r p ) 如：超对称理论 7 】，人工色( t c ) 理论 【8 】8 ，小h i g g s 理论【9 ，1 0 ，11 】，超弦理论以及额外维理论【1 2 】等等 超对称理论保留了基本h i g g s 场，同时引入新的费米子和玻色子互相变换的 对称性在超对称下，任何费米子都是和玻色子相伴存在的，s m 的每一个粒子 都有相应的超对称伙伴超对称粒子的引入可以消除标准模型中所存在的h i g g s 质量平方发散问题，从而解决了不自然性问题 t c 理论根本不引入基本h i g g s 标量场，而引入了一种新费米子( t c 费米 子) ，用t c 费米子凝聚 0 来代替标准模型中的h i g g s 玻色子，使电弱 对称性s u ( 2 ) l u ( 1 ) y 自发破缺到电磁对称性u ( 1 ) 。，实现动力学破缺电弱规 范对称性，从而解决了基本标量场理论中的不自然性和平庸性问题 超弦理论是人们抛弃了基本粒子是点粒子的假设而代之以基本粒子是一维弦 的假设而建立起来的自洽的理论，认为自然界中的各种不同粒子都是一维弦的不 同振动模式超弦理论要求引力存在，也要求规范原理和超对称超弦理论最吸 引人之处是将自然界四种相互作用力统一起来超弦理论对时空维数的要求，变 成了十维而不再是四维( 三维空间和时间) “小h i g g s 理论”是最近提出来的，它的基本思想是把h i g g s 玻色子作为更 高能标下整体对称破缺产生的哥尔斯通粒子【1 3 ，1 4 ，1 5 】，该粒子通过一个近似整 3 具有t 宇称的最小h i g g s 模型在i l c 上的可能物理信号 体对称睦保持轻的质量，使其免于单圈二次发散该理论预言了一系列与s m 相 应粒子具有同样自旋的新粒子，这些新粒子抵消了s m 中相应粒子对h i g g s 质 量所带来的单圈二次发散即新的规范玻色子消除了s m 中规范玻色子引起的 对h i g g s 质量的二次发散，新的费米子消除了顶夸克对h i g g s 质量的二次发散， 新的标量粒子消除了h i g g s 自相互作用所引起的对h i g g s 质量的二次发散，从而 解决了不自然性的问题根据该理论所具有的不同群对称性，又可分为许多具体 的模型，其中最小h i g g s ( l h ) 模型 1 0 】最简单的实现了小h i g g s 理论的思想，是 s m 的最小扩充l 日模型始于s u ( 5 ) 整体对称性，包含一个非线性模型在 九标度，通过正比于，的真空期望值破缺至它的子群s o ( 5 ) 同时，规范对称群 s u ( 2 ) u ( 1 ) 】2 破缺到它的对角子群s u ( 2 ) u ( 1 ) ，这个对角子群就是s m 中 的电弱规范群 1 2 2 最小h i g g s 模型简介 小h i g g s 基本思想 9 】提出后，一系列小h i g g s 模型被建构【9 ，1 0 ，1l ，1 6 我 们可以基于扩展的规范群结构，把众多小h i g g s 模型分为两类【9 ，1 7 】t 其中一类 模型中，s m 的s u ( 2 ) l 的规范群来自于两个或多个规范群的对角破缺，这类模 型通常被称为。直积群”模型【9 ，l o 】；还有一类模型中，s u ( 2 ) l 规范群来自于 一个单独的大的规范群的破缺，这类模型被称作。简单群”模型【1 l ，1 6 】两类小 h i g g s 模型中，最小h i g g s 模型【1 0 】和s u ( 3 ) 简单群模型【1 6 】具有代表性，通过 对这两个模型的研究可反映小h i g g s 模型的一般特点我们在这里主要介绍一下 最小h i g g s 模型 大多数的小h i g g s 模型是直积群模型l 模型是直积群模型中的一种，它 最早地实现了小h i g g s 理论的基本思想l 模型建立在s u ( 5 ) s o ( 5 ) 非线性 模型基础之上，在标度a s 处具有整体对称性s u ( 5 ) 当获得量级为，的真 空期望值( v e v ) 时，s u ( 5 ) 整体对称性破缺至s 0 ( 5 ) ，并且s u ( 5 ) 的一个子群 旧u ( 2 ) l u ( 1 ) i 】【s u ( 2 ) 2 u ( 1 ) 2 】破缺至标准模型电弱规范群s u ( 2 ) l u ( 1 ) r 电弱对称破缺过程s u ( 2 ) lxu ( 1 ) y u ( 1 ) m 由科尔曼- 温伯格势( c w ) 触发 场在s u ( 5 ) 下的变换形式为： 一7 = v e v t ，( 1 5 ) 场v e v 可以写成： ，1 2 。、 e o = l l | ( 1 6 ) 1 2 。 在s u ( 5 ) 变换下，；= v e o v r o ，而在s o ( 5 ) 变换下，；= o ，这样 4 具有t 宇称的最小h i g g s 模型在i l c 上的可能物理信号 亢( ) 一( ) 碍= 0 ( 1 8 ) = e m s ( e o ) e a t t s ， ( 1 1 0 ) = 0h z + 以v 互升 酬删，圣= ( 西圣妒) q ? = ( 盯。2 。) q ；= ( 。3 3 矿。，2 ) c 4 ， 具有t 宇称的最小h i g g s 模型在i l c 上的可能物理信号 u ( 1 ) 规范群的两个生成元为t m = ( 一孟，2 2 斋，3 。) ，k = ( 一斋，3 3 斋，2 。) c 5 ， 经过计算可表明，以上生成元的线性组合q 口，y 可写成； 1 q o = 二丢( q ：+ q ；) ，y = m + 蚝 ( 1 1 6 ) 、z l 日模型预言了一些新粒子它们是质量为t e v 量级的重规范玻色子z h 、 w i 和b h ，重夸克t 以及三重态标量粒子垂s m 粒子对h i g g s 质量的单圈平 方发散将会由新的小h i g g s 理论预言的与s m 粒子具有相同统计性质的粒子产生 的贡献所消除即新规范玻色子消除了s m 中规范玻色子引起的h i g g s 质量的平 方发散，新的重夸克丁消除了顶夸克对h i g g s 质量的平方发散贡献，新的标量粒 子垂消除了h i g g s 自相互作用的平方发散贡献 l 模型是最简单的小h i g g s 模型之一，它具有小h i g g s 模型的所有基本特 征尽管如此，l h 模型受到来自精确电弱测量数据的限制，它只有通过精细调 节模型参数才能令人满意一精细调节问题为了避免这个问题，人们在l h 模型 中引入一个叫t 宇称的分立对称性，引入t 宇称之后的l h 模型称为l h t 模 型这个模型是十分吸引人的小h i g g s 模型之一在l h 丁模型中，所有对电弱测 量数据的较大的树级贡献都被t 宇称所禁止，而主要贡献都来自圈级，并且是很 小的因此，对精确电弱测量数据的修正是非常小的所以，相对较低的标度参 数f ( i 5 0 0 g e v ) 被精确电弱数据所允许此外，这个模型吸引人之处还在于它 提供了个可能的暗物质候选者，并且这个模型在现在以及将来的高能实验中将 会产生丰富的实验现象我们将在后面的部分详细介绍l 日t 模型 1 3 工作简介 s m 是描述基本粒子的一个极好的低能有效理论，没有任何实验对标准模型 预言的电弱精确测量数据有重大的背离尽管如此，s m 是低能标下成立的有效 理论，在s m 以外应该有新物理存在而小h i g g s 理论被认为是s m 以外的新物 理的一个重要的候选者l h 模型是最简单的小h i g g s 模型之一，但l h 模型仍 是不完善的因此，有人在l h 模型中加入t 宇称，称为l h t 模型我们的主 要工作都是在日? 模型下做的 h i g g s 玻色子的产生过程e + e 一_ z h ，e + e 一一日和e + e 一_ t m 对于 研究h i g g s 玻色子的性质，以及将来在高能直线e + e 一对撞机( i l c ) 上检测标准 模型以外的新物理是十分重要的我们在l 日丁模型下讨论了这些过程，并讨论 了这个模型对这些过程产生的修正能否在将来的i l c 上探测到 6 具有t 宇称的最小h i g g s 模型在i l c 上的可能物理信号 我们还讨论了在j c 上t - o d d 轻子对的产生，以及在将来的j 三c 实验上探测 这些新粒子的可能性我们还研究了t - o d d 轻子的产生以及衰变的动力学性质 我们发现：只要t - o d d 轻子不太重，它们就能通过e + e 一一l i l f 过程大量地成对 产生，并且它们的信号能够在将来的儿c 实验上探测到 最后，我们讨论了t - o d d 标量粒子( 矿，垂。和垂p ) 和t - o d d 规范玻色子在 l h c 上的联合产生虽然产生截面在大部分l 丁模型的参数空间内是很小的， 但是，我们发现g 矿一圣+ b h 过程能够产生一个带电轻子加上大的丢失能量这样 一个特有的信号，这个信号可以在大型强子对撞机( l h c ) 上观察到 本文结构如下t 第二章简要介绍了对撞机，特别是，l c 的主要性质；第三章 简要介绍了具有t 宇称的最小h i g g s 模型，以及这个模型所预言的基本粒子第 四、五章介绍自己的工作，是论文的核心部分第四章我们计算了l 丁模型对 e + e 一_ z h ，e + e 一_ h 和e + e 一一讲过程产生截面的修正，并讨论了这 个模型对这些过程的产生的效应能否在将来的儿c 上探测到第五章我们首先 考虑了t - o d d 轻子对的产生，并且讨论了在将来的i l c 实验上探测这些新粒子的 可能性我们还讨论了t - o d d 标量粒子( 圣士，西。和圣p ) 和t - o d d 规范玻色子在 l 日c 上的联合产生。第六章总结了该论文的主要成果，并对相关问题作了简要 讨论 7 第二章对撞机简介 2 1 对撞机概述 对撞机就是让粒子实现对撞的大型实验装置f 1 9 对撞机是人类用于探测物 质最基本结构和基本相互作用的主要工具，它的作用是首先使两种粒子加速，使 它们沿相反方向运动并且实现对撞，使粒子破碎对撞机在对粒子物理领域几十 年来的研究中发挥着日益重要的作用，目前已经成为一种占主导地位的高能加速 器 2 1 1 对撞机的种类 按照对撞粒子的种类，对撞机可分为电子对撞机( e - i - e 一、e e 一或e 士e 士) ，质 子质子( p p ) 对撞机，电子- 质子( 印) 对撞机和重离子对撞机等；按照对撞机的 形状，又有环形( 单环或双环) 与线形之分从能量和规模看，第一台对撞机a d a 质心系能量为0 s g e v ，周长为4 m ，只有桌面大小；而现代大型加速器的质心系 能量最高为1 4 t e v 周长2 7 公里，像一座城镇大小，造价高达3 0 亿美元以上 最近几十年来，对撞机在粒子物理领域的进展中崭露头角，已成为一种占主 导地位的高能加速器对粒子物理学的发展尤其是s m 的确立到起了举足轻重的 作用下面我们就列举一些主要的对撞机及其所做出的重要贡献： c e r n 的l e p 是正负电子对撞机，质心能量达到2 0 0 g e v l e p 数据 非常精确，即使超出了机器自身的能量也很敏感在标准模型的精确检验、提供 。自然界存在三代中微子”的实验证据等方面有重大贡献 美国费米实验室的t e v a t r o n 对撞机是目前世界上能量较高的质子反质子 对撞机( 周长6 3 公里) ，它的质心能量接近2 t e v t e v a t r o n 两年运行的积分亮 度为1 5 0 p b 一，升级后达到了两年的积分亮度为2 f b 一1 9 9 4 年在这台机器上找 到了顶夸克 德国的h e r a ，是质子一电子对撞机，电子的能量3 0 g e v ，质子能量8 2 0 g e v ， 且电子束是极化的。1 9 9 6 年开始对极化质子柬作了许多研究，在对q c d 的验证 和强子的内部结构及质子自旋的组成等方面有很多成果 t h e r 月是t e s l a 和h e r a 的缩写具有2 5 0 8 0 0 g e v 能量的直线加 速器t e s l a 能产生极化的电子或者正电子，t he r a 对撞机是用来散射这些电 子或正电子的它能够记录到具有1 g e v 到1 6 g e v 能级范围内的碰撞，它的质心 能量范围为：1 t e v 一3 7 t e v ，能预测的积分亮度范围是4 0 p b 1 到2 5 0 p b t h e r a 对撞机可以用来研究高能物理中的多个粒子散射过程以及粒子之间的 相互作用等 8 具有t 宇称的最小h i g g s 模型在i l c 上的可能物理信号 我国的b e p c ( 北京正负电子对撞机) ，质心能量3 5 g e v 虽然b e p c 能量较低，但在粲夸克和7 - 轻子的研究方面具有独特的优势，它处在一系列共振 区和产生阈( 表示某种粒子刚能产生的能量值) 区，具有系统误差小、本底小、测 量精确高的优点中国物理学家充分利用这一优点，获得了一系列国际承认的物 理结果，例如中美科学家1 9 9 1 年在北京谱仅上合作完成的t 轻子质量的精确测 定，被李政道教授誉为当年。高能物理界最重要的发现” 2 0 】 北京正负电子对撞机接受了一次大规模的升级改造，升级后的b e p c 称为 b e p ci i ，整个升级工程耗资七千七百万美元，已经在2 0 0 7 年9 月开始运行 b e p c 最为人熟知的是在对f 轻子质量的精确测量而b e p ci i 有可能发现更 多的新粒子以及测量r 值( 产生强子的截面与产生p 子对的截面之比) 这个比值 决定真空极化以及精细结构常数在相当于z 粒子质量的能量尺度时的有效值，并 且会影响标准模型对h i g g s 粒子质量的预言 美国s l a c 正在运行的b 介子工厂和c e s r 对夸克各代之间的混合做出了 系统的研究，对测量b 夸克衰变中c p 破坏的起源有重要意义 2 1 2 对擅机的基本参量 下面我们简单介绍一下对撞机的基本参量： 质心能量西 两个粒子的质量为m l 和m 2 ，动量为7 ，和7 2 ，它们在碰撞的过程中，质 心系( c i ) 中总能量的平方可以按照曼德斯坦变量表示成 s 兰p 1 + 仡) 2 = ( 日+ 易) 2 ( c t 2 矽l + 矽2 = 0 ) ( 2 1 ) 在我们感兴趣的目前的高能碰撞实验中，束粒子的动量远大于它们的质量，两粒 子的总质心能量可近似表示为 岛m 三2 e 1 2 e 2 ( c m 7 1 + 矽2 = 0 )( 2 2 ) 只有质心能量足够大才能产生相应能区粒子对撞机的质心能量越大，它上面的 物理现象也就越丰富即将运行的l h c 质心能量有1 4 t e v ，这为探索t e v 能 区的新物理提供了可能 亮度c 瞬时亮度c 是指单位时间、单位反应截面产生的粒子数目，有时也称亮度 如果对一特定过程的产生截面为巩。，由和吼。的乘积可以得出相应的事例率 2 l 】即粒子柬相互作用发生的事件率尺与相互作用截面以。t 和瞬时亮度c 成正 比： r = c 口价t( 2 3 ) o 具有t 宇称的最小h i g g s 模型在i l c 上的可能物理信号 亮度的单位为c t n 一2 8 ，通常还表示为l c m 一2 s 一1 = 1 0 3 3 礼6 - 1 s 把对撞机亮 度记为1 0 3 3 c m - 2 8 - 1 = l n b _ 1s - 1 l o f b _ 1 y e a r 很方便对高能物理实验一个关 键的量实际上是积分亮度( f ) 即一段时间内的总亮度例如，t e v a t r o n 两年运行 的积分亮度为1 5 0 p b ，升级后两年的积分亮度为2 f b 由于许多我们感兴趣的物理过程的截面很小，为探测到足够多的事例就需要 很大亮度的对撞机e + e 一对撞机目前最大亮度接近( 1 5 2 ) 1 0 3 3 c m - 2 s ， k e k b ，p e p i i 和c e s r ( 美国康奈尔的正负电子对撞机) 都达到了这水平 l 日c 的亮度为1 0 3 4 c r n _ 2 8 下表列出了一些对撞机的基本参量供大家参考 直线对撞机西( g e v ) z ( c m 一2 8 1 )f ( k h z )l ( k m ) l e pim z2 4 1 0 3 14 52 6 7 s l c一1 0 02 5 1 0 3 00 1 22 9 l e p i i ，u2 1 0 1 0 3 24 52 6 7 i l c5 0 0 1 0 0 02 5 1 0 3 43 1 0 31 4 3 3 c l i c 3 0 0 0 5 0 0 0。1 0 3 5 1 5 1 0 6 3 3 5 3 强子对撞机 , 7 ( t e v )z ( c m 一2 s 一1 )f ( m h z )l ( k m ) t e v a t r o n1 9 62 1 1 0 3 22 56 2 8 h e r a 3 1 41 4x1 0 3 1 1 0 6 3 4 l h c1 41 0 3 44 02 5 6 6 v l h c4 0 1 7 02 ，。1 0 3 45 32 3 3 表2对撞机基本参量 上表中的频率、长度等参数，在此不做详细叙述 2 2 国际高能直线对撞机i l c 2 2 1i l c 简介 环形电子对撞机向更高能区发展遇到了同步辐射能量损失随束流能量的四次 方增长的困难，为了向更高能量和更深层次进军，直线对撞机作为未来的高能对 撞机而得到世界各国的重视鉴于直线对撞机造价昂贵，国际高能物理界逐渐达 成了合作建造国际直线对撞机( i l c ) 的共识，成立了由世界各国高能物理学家组 l o 具有t 宇称的最小h i g g s 模型在i l c 上的可能物理信号 成的直线对撞机国际协调委员会( i l c s c ) 和1 2 位专家组成的国际技术推荐委员 会( t t r c ) 国际高能直线对撞机( i l c ) 2 2 】全长4 0 千米，比现在最长的斯坦福直线加速 器长1 0 倍还多，预计造价为数十亿美元这样装置的建设、运行和科学研究，必 然采取大规模国际合作的方式人们对它的选址和战略性进行了大量的讨论，未 来加速器国际委员会( i c f a ) 宣布i l c 采用德国d e s y 发展的射频( r f ) 腔超 导技术它由两台大型超导直线加速器组成，分别将正负电子加速到2 5 0 g e v 的 能量，质心能量达到5 0 0 g e v ，以后还可扩展到1 0 0 0 g e v 直线加速器的末端安 装了最终聚焦装置，把高能量正负电子束聚焦成截面垂直方向只有几个纳米的微 小束团进行对撞在对撞点附近，安放由各种粒子探测器组成的大型谱仪，探测 正负电子对撞后的。碎片”该谱仪长宽高尺寸各为十多米，总重量超过一万吨， 其功能相当于“显微镜”，可以把高能量正负电子束流对撞后产生的。碎片”的径 迹、能量、动量和电荷等参量很快地记录下来根据这些数据，科学家们就能知 道对撞后的产物，进而研究物质的微观结构 儿c 一个重要的特点是与大型强子对撞机( l h c ) 相互协作【2 3 】，帮助人们 首要解决的一个基本问题是寻找h i g g s 粒子、并研究它的性质，从而解决质量的 起源问题为了体现，l c 与l 日g 性能上的互补，我们有必要与l 日c 相比较来 介绍儿c 的性质 儿，c 的质心能量在5 0 0 一1 0 0 0 g e v ，亮度z 为( 2 6 ) 1 0 3 4 佣以s l h c 计划在2 0 0 8 年运行( 由于磁体系统发生爆裂未能按期运行) ，质心能量约为 1 4 t e v ，亮度z 约为1 0 3 4 伽- 2 8 - 1 2 3 】这样，由于l h c 的质心能量大，它能 够直接探测到质量更大的新粒子例如对于电弱作用产生的质量为5 6 t e v 的 新粒子( 可能的新规范玻色子7 、z 7 ) ，可以通过产生单个该粒子的过程直接探 测到；对于强作用产生的质量为7 r e y 的新粒子( 可能的新夸克) ，可以通过产生 单个该粒子的过程直接探测到；对于成对产生具有强相互作用的超对称粒子的过 程，可探测到的粒子的质量可达到3 t e v 而i l c 由于质心能量的限制，可直接 探测到粒子的质量都得小于1 t e v l h c 是质子与质子对撞，实际的碰撞是构成质子的正反夸克和胶子问的碰 撞，强相互作用的截面一般比电弱作用的截面要大很多量级，这样当人们对后者 感兴趣时，就会产生较大的背景并且随着质心能量的增加，胶子的分布函数很快 增加，胶子与胶子，胶子与夸克相互作用的贡献会进一步提高强相互作用截面， 从而恶化了这种情况并且我们不能准确地知道发生碰撞的正反夸克和胶子的动 量，所以在l h c 一般不能进行精确的测量而i l c 是正负电子对撞，产生的事 例较清楚，背景小并且i l c 可以调节入射正负电子的极化率，以提高或压低某 一特定过程，进一步减小背景。另外，在i l c 上，我们能准确的知道发生对撞的 具有t 字称的最小h i g g s 模型在i l c 上的可能物理信号 正负电子的动量，根据动量、能量守恒，可以详细地重建出末态粒子的状态因 此，在i l c 上能够进行精确地测量例如，在l h c 上对一些h i g g s 耦合顶角的 测量，精确度只有( 1 0 2 0 ) ，而在i l c 上可达到1 对于质量很大在儿c 无法直接产生的粒子，可以利用它对某些已经熟知的过程( 如正反费米子的产生) 虚效应的影响，在i l c 上进行精确的测量，并与s m 的预言值比较来对其研究 这样，在质心能量为1 t e v 的i l c 上，可以探索超出本身质心能量，甚至可达到 l o t e v 的新物理 另外，质心能量为t e v 标度的i l c 可以利用激光散射的方法转换为7 ，y 或 叫对撞，y 束流的能量和亮度与电子束流的能量和亮度都在同一量级上，这是 i l c 独一无二的特点在某些情况下这是发现新物理信号的较好方法e 一1 对撞 可以产生某些在e + e 一对撞中不能产生的粒子 2 4 】，非常适合用来研究重规范玻 色子的产生 2 2 2i l c 的物理目标 ，l c 具有很高的精确性，与l h c 的高能性可以相互补充，下面列举一些 ，l c 可以解决的物理问题 1 探测s m 中的h i g g s 机制 通过对精确