（理论物理专业论文）宇宙学和高能对撞机上若干新物理的唯象研究.pdf

摘要 摘要 标准模型( s m ) ，是描写强相互作用和电弱相互作用的s u ( 3 ) cos u ( 2 ) lo u ( 1 ) y 规范理论。它在过去的三十多年中得到了充分的检验。电弱统一理论所预 言的弱中性流的发现为w e i n b e r g 和s a l a m ( 和g l a s h o w - - 起) 赢得了1 9 7 9 年的诺贝 尔物理学奖；其后的中间玻色子( w 士和z ) 在实验上被观测到又为r u b b i a 和v a n d e rm e e r 带来了1 9 8 4 年的诺贝尔物理学奖；渐进自由则为d a v i dj g r o s s ，h 。d a v i d p o l i t z e r 以及f r a n kw i l c z e k 获取了2 0 0 4 年的诺贝尔物理学奖。迄今为止在实验误差 范围内，在所有反应中标准模型的理论预言与数据符合得非常好，这些都使我们 确信标准模型是描述t e v 能区( 也许可以扩展到更高能区) 的正确理论。然而，标 准模型仍存在着一些根本性的问题，比如理论中存在太多的参数需要实验确定； 标准模型中著名的等级性( h i e r a r c h y ) 问题等等，但是最为关键的问题是，负责 弱电自发破缺的h i g g s 机制预言了至少有一个中性h i g g s 玻色子存在，而这个起关 键作用的h i g g s 粒子在实验上至今也没有被找到。这就为超出标准模型的新物理 留下了存活的空间。目前，人们提出了许多新物理理论，譬如：t e c h n i c o l o r ( t c ) 理论，l i t t l eh i g g s 理论等等。t e c h n i c o l o r 是一个没有h i g g s 粒子的理论，基本思想 是：引入一种新的渐进自由的类似q c d 的强相互作用和具有强相互作用的新费米 子( t c 费米子) 。在一个高的能量标度，t c 费米子发生凝聚，以此来代替标准模 型中的h i g g s 玻色子，从而实现电弱对称性到电磁对称性的动力学破缺。因此它 很自然地解决了标准模型中的一些理论问题。不过，最初的t c 模型自身也存在 着不少的问题。为了给费米子提供质量而不产生大的味改变中性流，致使人们去 构想“走动”的人工色理论( w a l k i n gt c ) 。而为了给项夸克提供大的质量而没有大 的r b 和t 修正，人们又提出了顶色辅助的人工色理论( t c 2 ) 。 t o p - p i o n ( 1 7 0 ，士) 和t o p h i g g s ( h t c ) 是t c 2 模型所预言的特征粒子。因此，实 验上如果能够发现这些粒子则可以认为是对t c 2 模型的直接验证。我们在工作中 研究了这些特征粒子在i l c 上单圈水平上的成对产生的过程，即e + e 一一所c o 和 e - b e 一_ 1 - i + h 一 1 ，2 】。研究表明，两者的产生截面在大多数的参数空间可达到数 十个f b 的量级，同时这些过程都还有着相当明显的n l o 修正。另外，我们还研究 了夕夕_ 三b g 在l h c 的生成过程，结果表明和标准模型的类似过程g g _ h 相比较， 摘要 前者的生成率要高得多；即使是和t c 2 模型中的另外一个中性标量粒子的生成过 程夕夕_ o 3 相比较，夕夕_ h t c 的产生率也要高出一些。因此，这个产生道在 即将运行的l h c 上的观测是值得人们期待的。 在高能物理领域，宇宙学的研究是和加速器物理一样重要的。宇宙学面临的 一个重大的挑战就是暗物质的问题，而在标准模型中人们却找不到暗物质合适的 候选者。为了解决这个问题，人们提出了各种各样的理论。 在带有t 宇称的l i t t l e s th i g g s 模型中，电中性的重光子a n 的质量最轻，同时 其t 宇称为奇，在t 宇称守恒的前提下，它是稳定不衰变的。因此重光子可以被视 为是w i m p 冷暗物质的一个理想的候选者。 我们在文中通过使用玻尔兹曼时间演化方程对重光子在宇宙中的残留量进行 了估算 4 】。计算的结果表明当h i g g s 的质量取3 0 0g e v 并在不考虑t 宇称破缺的前 提下只有两个比较窄的范围1 3 3 m a h 1 3 5g e v 和1 6 7 m a h 1 6 9g e v 是 和目前的天文学观测量相互包容的，如果1 3 5 m a 。 1 6 7g e v ，那么必须至 少同时存在着其它种类的重粒子对冷暗物质的密度起着贡献。我们在文中还考虑 了t 宇称的破缺效果，当t 宇称可以破缺的时候，重光子将会衰变到普通的标准模 型粒子，这样的话就会影响到宇宙中暗物质的含量，我们利用当前宇宙学可观测 量对其破缺参数进行了严格的限制。地基实验直接观测的前景也在我们的工作中 做了较为详细的阐述。 关键词：电弱对称破缺，t c ，t c 2 ，t o p p i o n ，t o p h i g g s ，i l c ，l h c ，t 宇称， 暗物质，l i t t l eh i g g s ，时间演化。 a b s t r a c t 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 n c l u d i n gt h es t r o n ga n de l e c t r o w e a ki n t e r a c t i o n s ，i s t h es u ( 3 ) c s u ( 2 ) lo u ( 1 ) vg a u g em o d e lw h i c h h a sb e e ne x t e n s i v e l yt e s t e dd u r - i n gt h ep a s t3 0y e a r s t h ed i s c o v e r yo ft h ew e a kn e u t r a lc u r r e n tb r o u g h tt h en o b e l p r i z eo fp h y s i c st os w e i n b e r ga n ds a l a mi n19 7 9 r u b b i aa n dv a nd e rm e e rw e r e a w a r d e dw i t ht h en o b e lp r i z ef o rp h y s i c si n19 8 4b e c a u s eo ft h ee x p e r i m e n t a l l yd e t e c t i n gt h ei n t e r m e d i a t ev e c t o rb o s o n s ( w 士a n dz 0 ) a n dt h e nd a v i dj g r o s s ，h d a v i d p o l i t z e ra n df r a n kw i l c z e ko b t a i n e dt h e i rn o b e lp r i z ef o rp h y s i c si n2 0 0 4b e c a u s eo f t h ea s y m p t o t i c a lf r e e d o m t h ep r e d i c t i o n so ft h es ma r ei na c c o r d a n c ew i t ht h ed a t a c o m i n gf r o ma l lt h ee x p e r i m e n t sw i t h i nt h ee r r o rt o l e r a n c es of a r a l lt h ef a c t si n d e e d s t r e n g t h e no u rc o n f i d e n c ei nt h es m h o w e v e r , t h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m se x i s t i n g i nt h ef r a m e w o r ko fs m f o re x a m p l e ，t h ee x i t st h ef a m o u sh i e r a r c h yp r o b l e m ，a n d e t c b u tt h em o s tt r o u b l e s o m ep r o b l e mi st h a tt h eh i g g sp a r t i c l ew h i c hi sc r u c i a li n t h eh i g g sm e c h a n i s mh a s n tb e e nf o u n di nt h ee x p e r i m e n t s t h i si n d i c a t et h a tt h ee x p l a n a t i o np r o v i d e db yt h es ms h o u l dn o tb et h ee n do ft h es t o r ya n di tw i l ll e tal i r l e r o o mf o rt h 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 e r ea r em a n yn e wp h y s i c s m o d e l sh a v eb e e np r o p o s e d ，s u c ha s ：t e c h n i c o l o r ( t c ) ，l i r l eh i g g s ，e t c t e c h n i c o l o ri s at h e o r yw i t h o u tt h eh i g g sp a r t i c l e ，t h eb a s i ci d e ao fi ti si n t r o d u c ean e w s t r o n gf o r c e t h a ts i m i l a ro ft h ea s y m p t o t i c a l l yf r e eq c da n dt h en e wt cf e r m i o n s a tar a t h e rh i g h s c a l e ，t h ec o n d e n s a t i o ni sf o r m e db e t w e e nt w ot cf e r m i o n s t h i sp h e n o m e n o nc o u l d b et a k e nt h ef u n c t i o no ft h es mh i g g sb o s o n s ot h ee l e c t r o w e a ks y m m e t r yi sb r o k e n t ot h ee l e c t r o m a g n e t i cs y m m e t r yd y n a m i c a l l y t e c h n i c o l o rh a ss o l v e dt h ep r o b l e m so f t h es m n a t u r a l l y h o w e v e r , t h e r ea r ea l s os o m ep r o b l e m sw i t ht h eo r i g i n a lt e c h n i c o l o r m o d e l i no r d e rt oe x p l a i nt h em a s s e so fo r d i n a r yq u a r k sa n dl e p t o n sw i t h o u tl e a d i n g l a r g ef a l v o r - c h a n g i n gn e u t r a lc u r r e n t ( f c n c ) ，p e o p l eh a v eb u i l tt h ew a l k i n gt e c h n i c o l o rm o d e l ( w t c ) a c c o m m o d a t i n gt h et o pq u a r km a s sw i t h o u tl a r g ec o r r e c t i o n st o a r ba n dtl e a d su st oc o n s i d e rt o p c o l o r - a s s i s t e dt e c h n i c o l o r ( t c 2 ) m o d e l d e s p i t et h e g r e a tp r o g r e s st h a th a sb e e nm a d e n oc o m p l e t ea n dc o n s i s t e n tm o d e le x i s t s t h ee x i va b s t r a c t p e r i m e n t a li n s t r u c t i o ni sn e e d e dt om a k ef u r t h e rp r o g r e s so nt h e s ed y n a m i c a l t h e o r i e s t h et o p - p i o n ( i i o ，士) a n dt o p h i g g s ( h r c ) a r et h et y p i c a lp a r t i c l e sp r e d i c t e db yt h e t o p c o l o r a s s i s t e dt e c h i n i c o l o r ( t c 2 ) m o d e l ，t h eo b s e r v a t i o no ft h e s ep a r t i c l e sc a nb e r e g a r d e da st h ed i r e c te v i d e n c eo ft h et c 2 m o d e l i no u rw o r k ，w es t u d yt w oo n e l o o p l e v e lp a i rp r o d u c t i o np r o c e s s e so ft h e s et y p i c a lp a r t i c l e s ，i e ，e + e 一_ 胁e oa n d e + e 一一1 7 + 1 7 一 1 ，2 】t h ec r o s ss e c t i o n so ft h e s ep r o c e s s e sc a nr e a c ht h el e v e lo fa f e wf ba tm o s to f t h ep a r a m e t e rs p a c e s a tt h es a m et i m e ，t h en l o c o r r e c t i o n so f t h e s e p r o c e s s e sa r eo b v i o u s o n et h eo t h e rh a n d ，w ea l s os t u d yt h ep r o c e s so fg g h t c a tt h el h c ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o d u c t i o nr a t ei sm u c hh i g h e rt h a nt h es i m i l a r gg _ h o ft h es m w ea l s of i n dt h a tt h ep r o d u c t i o nr a t eo fg g _ h t ca l s ol a r g e rt h a n a n o t h e rn e u t r a ls c a l a rp a r t i c l e ( t o p p i o n ：o ) p r o d u c t i o nr a t ei nt h ep r o c e s so fg g 一o 3 】s ow eb e l i e v et h a tt h i sp r o d u c t i o np r o c e s s i sw o r t he x p e c t i n ga tt h ei m m i n e n tl h c d e t e c t i o n w ek n o wt h a ta n o t h e rf l a wo fs mi si tc a n tp r o v i d eaa p p r o p r i a t ec a n d i d a t eo f t h e d a r km a t t e r , b u tt h el i t t l eh i g g sm o d e lw i t htp a r i t yc o u l ds o v l et h ep r o b l e ms u c c e s s f u l l y i nt h el i t t l e s th i g g sm o d e lw i t htp a r i t y , t h e r ei san e u t r a lm i n i m u mw e i g h tp a r - t i c l e ：h e a v yp h o t o na ha n di th a sa no d dtp a r i t y , i ft h etp a r i t yw a sc o n s e r v a t i o n ， i tw o u l db es t a b l ea n dn o td e c a y s ot h eh e a v yp h o t o nc o u l db er e g a r d e da sa ni d e a l c a n d i d a t eo ft h ew i m pc o l dd a r km a t t e r i nt h i sp a p e r , w eh a v ec a l c u l a t e dt h er e l i ca b u n d a n c eo ft h eh e a v yp h o t o ni nt e r m s o f t h eb o l t z m a n l e e w e i n b e r gt i m e - e v o l u t i o ne q u a t i o n 4 o u rc a l c u l a t i o n ss h o wt h a t w h e nh i g g sm a s sm ht a k e nt ob e3 0 0g e va n dd o n tc o n s i d e rt - p a r i t yv i o l a t i o n ，o n l y t w on a r r o wr a n g e s1 3 3 m a 日 1 3 5g e va n d1 6 7 m a 耳 1 6 9g e va r et o l e r - a b l ew i t ht h ec u r r e n ta s t r o p h y s i c a lo b s e r v a t i o na n di f13 5 m a 日 1 6 7g e vt h e r e m u s ta tl e a s te x i s ta n o t h e rs p e c i e so fh e a v yp a r t i c l ec o n t r i b u t i n gt ot h ec o l dd a r km a t - t e r t h ee f f e c t so ft h et - p a r i t yv i o l a t i o ni sa l s oc o n s i d e r e di no u rw o r k i ft h et - p a r i t y c a nb ev i o l a t e d ，t h eh e a v yp h o t o nc a nd e c a yi n t or e g u l a rs t a n d a r dm o d e lp a r t i c l e sa n d w o u l da f f e c tt h ed a r km a t t e ra b u n d a n c ei nt h eu n i v e r s e ，w ed i s c u s st h ec o n s 仃a i n to n t h et - p a r i t yv i o l a t i o np a r a m e t e rb a s e do nt h ep r e s e n td a t a d i r e c td e t e c t i o np r o s p e c t s o fe a r t h b a s ea r ea l s od i s c u s s e di ns o m ed e h a i li no u rw o r k a b s t r a c tv k e yw o r d s ：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 ，t c ，t c 2 ，t o p p i o n , t o p - h i g g s ，i l c ， l h c ，tp a r i t y , d a r km a t t e r ，l i t t l eh i g g s ，t i m e - e v o l u t i o n 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：卷系励孥 勺7 年 0 这个基本条件。 如果我们把标量场的相互作用部分看成是在某个有限截断人以下的低能有效 理论的话，就可以避开平庸性问题，但同时要求在a 以上要出现新物理。 ( 7 ) 标准模型中没有给出味物理的认识，它不能解释为什么只存在三代夸 克和轻子。同时它也无法解释夸克的分数电荷、“色”数的物理起源 1 2 】。 ( 8 ) 在标准模型框架下，大统一的尝试是不成功的。标准模型还只统一了 弱、电相互作用，强相互作用和引力相互作用还没有被统一进来，这不能不说是 一个遗憾。 ( 9 ) 等级- 陛( h i e r a r c h y ) 问题 1 3 】。它又被叫做“不自然性问题”，这是由 于h i g g s 自能修正的圈图平方发散所造成的。主要的发散贡献来自于图1 1 ，而其 它图的贡献由于其过小的耦合常数的缘故可以被忽略掉。为了在理论上得到一 个有限的h i g g s 粒子质量，要进行质量重整化。设a 为紫外动量截断。假定我们 取a = i ot e v ，那么在单圈层次上，h i g g s 玻色子的质量修正可取为如下的形式： 来自顶夸克圈的贡献： 一未a ；人2 一一( 2t 2 ， 来自规范玻色子圈的贡献： 击水2 一( 7 0 0 a 2 ， ( 1 3 ) ( 1 4 ) 第一章绪论3 来h i g g s 圈的贡献： 南a 2 a 2 一( 5 0 0g e v ) 2 1 6 7 r z 、 ( h i g g s ) ： 、 ，一 - 、 ， 、 一， 、 图1 ，1 标准模型中h i g g s 质量辐射修正的几个主要来源。 因此在单圈阶，h i g g s 总的质量可写为： ( 1 5 ) m ；m 各。4 - ( 一1 0 0 + 1 04 - 6 ) ( 2 0 0g e v ) 2 ( 1 6 ) 从这个式子我们可以发现，为了得到一个质量为几百个g e v 的h i g g s 玻色子，人们 需要对标准模型中的参数做百分之一量级的调节( 图1 2 ) 。如果再把紫外截断提 高到p l a n l 【能标，那么需要做的调节就更加苛刻了，一般情况下，人们认为这样做 是不自然的。这就是标准模型著名的等级性( h i e r a r c h y ) 问题。 以上问题的研究与解释是当前粒子物理界的重要任务之一，其最终结果还需 要依赖新物理理论的进一步发展完善以及未来的高能粒子对撞机和宇宙学上的实 验来共同确定。 综上所述，标准模型只是一个低能有效理论，所以，在某一特定能标之上引 入新物理已成为必然。在超对称模型中，人们引入了新的对称性，利用超对称伙 伴的贡献来抵消标量场自能的平方发散，从而避免不自然性。在r s 额外维理论中， 人们认为s m 膜和p l a n k 膜是五维时空中的两个四维膜。这样的话，在p l a n k 膜上电 4第一章绪论 淼g e v ) 2( 2 0 0 l o o p s g a u g eh i g g s 图1 2 标准模型参数的精细调节示意图。 弱和p l a n k 能标是一致阴，p ) r 以个仔在，寺级性问题。t e c h n i c o l o r 摒弃了基本的标量 场从而避免了由它引起的精细调节等问题。d x h i g g s 模型则通过部分地破缺理论 的整体对称性，同时引进重规范玻色子和重费米子用以抵消标准模型粒子自能圈 的平方发散，有趣的是与超对称模型相比较，l i t t l eh i g g s 模型中h i g g s 粒子质量平 方发散的消除是在具有相同统计特性的粒子之间进行的。 如果即将运行的l h c 实验在较长的时间内未能探测到h i g g s 粒子，那么以下 两种情况将有可能发生：一种情况是t e c h n i c o l o r 模型将成为电弱对称破缺机制最 受欢迎的候选者之一，所以人们可以尝试着在l h c 或者规划中的i l c 上去寻找它 的特征信号。另一种途径是人们可以继续通过其它的非加速器物理实验，譬如通 过对宇宙学中暗物质的研究，来得到新物理的一些信息，从而对加速器实验做一 个有益的补充。 基于以上论述，本论文的结构做如下安排：第二章简要的对世界现有的和计 划建造的中对撞机进行了相关的介绍，同时对标准模型的h i g g s 粒子的性质以及 它在强子和线性对撞机上的产生方式进行了回顾；第三章对t e c h n i c o l o r 理论进行 了系统的、较为详细的介绍；第四章简单地回顾了带有t 宇称的l i t t l e s t h i g g s 模型 并对此模型下的冷暗物质的候选者重光子a 日在宇宙学中的时间演化进行了详细 计算，给出了此过程对t 宇称破缺参数的限制，这章的最后还对a 日的直接探测进 第一章绪论 5 行了计算和简单的讨论；第五章和第六章在t e c h n i c o l o r 框架下分别计算了顶色辅 助的t c ( t c 2 ) 模型中的中性和带电的标量粒子在i l c 和l h c 上的单圈生成过程， 数值结果表明这些道的生成率比较可观，在将来的对撞机实验上极有可能被探测 到，因此这些过程的研究对探测新物理信号有着比较重要的指导意义。论文的最 后一章对上述工作做了简单的总结与展望。 第二章h i g g s 粒子和高能对撞机简介 7 第二章h i g g s 粒子和高能对撞机简介 2 1 标准模型h i g g s 粒子简介 s u ( 2 ) l u ( 1 ) y 弱电规范模型在描述己观测到的弱相互作用方面取得了很大 的成功。这个模型预言了一个s u ( 2 ) 标量二重态的存在，这个二重态在规范对称 性的自发破缺中起着重要的作用。电弱对称性自发破缺后，剩下了一个单态的电 中性的标量粒子- h i g g s 玻色子。 标准模型的h i g g s 玻色子的质量e h 式子i t c h = ( 2 入) 1 2 v 给出，这里的入是标量 势的个没有维数的耦合常数，而秽= ( 钜g f ) _ 1 2 = 2 4 6g e v 是真空期望值。既 然入是一个自由参数，那么原则上，h i g g s 粒子的质量可以取任意值。 然而理论上，从那些由于有效自相互作用而来的包含虚规范场的费曼图中我 们可以得至u h i g g s 质量的下限。此时，有效耦合常数需要满足入q 2 。考虑到矢量 ( y = w + ，w a n dz ) ，标量( s ) 和费米子( f ) 圈对有效势的贡献，同时要求最 小的有效势是稳定的，我们可以得到下面的式子 埔3 e v m 参+ 面e s 而m 4 s 厂- 一4 e s m ( 2 1 ) h i g g s 粒子的质量的上限理论上并没有严格的限制。如果我们认为在最低阶的图 中，耦合常数a 将不会破坏幺正性的话，那么可以得到如下限制 m h ( 尝) 1 2 1 t e y ( 2 2 ) 然而，对于大的m h 来说，耦合常数入也将变大，所以此时更高阶的费曼图也必须 进行求和。 在大统一模型中，如果我们要求在大统一的标度下耦合常数仍然满足微扰论 的要求的话，那么这将给出h i g g s 粒子质量的上限范围1 0 0 m h 2 0 0g e v 。 8 第二章h i g g s 粒子和高能对撞机简介 实验上，h i g g s 粒子质量的限制主要来自于以下两方面：( 1 ) l e p 2 实验中， 人们使用e + e 一一z h 做为信号过程，将能量扫描到加= 2 0 9g e v 也没能发 现h i g g s 粒子，这个实验事实给出t h i g g s 质量的下限：m h 1 1 4 4g e v ( 9 5 置 信度) 1 4 】。( 2 ) 利用从l e p 、s l c 和t e v a t r o n 上的电弱可观测量的精确测量结果， 以及t e v a t r o n 上最新的t o p 夸克质量的测量结果r n t = 1 7 1 2 - 4 - 2 1g e v 1 5 ，人们通 过对所有这些数据的整体拟合可以得至l j h i g g s 的质量m h = 1 1 3 + 一，8 2 。g e v ，也就是 说h i g g s 粒子质量的上限是m h 2 6 0g e v ( 9 5 置信度) 【1 6 ，1 7 。关于h i g g s 粒 子质量限制的更为详细讨论可见参考文献 1 8 ，1 9 ，2 0 ，2 1 ，2 2 。 下面我们来分析下h i g g s 粒子的衰变宽度和寿命，以及特定衰变道的分支比。 这些物理量的确定对检验h i g g s 粒子与费米子之间的y u k a w a 耦合，以及h i g g s 粒子 与规范玻色子之间的耦合，从而进一步验i 正h i g g s 机制有着重要的物理意义。 m h l g e v i 图2 1 准模型h i g g s 粒子各个衰变道的分支比随h i g g s 质量的变化。 讨论h i g g s 粒子的衰变模式及其分支比是和h i g g s 粒子的质量有着紧密的联系 的，其结果如图2 1 所示 2 3 】。当2 m c m h 2 m b 时，衰变模式日一一下一和c 石占 主要地位；当2 m b 9 0g e v 转变时间( r a i n ) 2 6 连续 5 0n 入 注入能( g e v ) 1 8 9 e 一e + ：8 3 5 2 2n 忪 径向流频率( m h z ) 4 9 9 8 5 0 8 8 8 7 3 5 2 2 1 3 0 0 母柬的粒子数( 1 0 川) 4 8 e 一e + ：6 1 7 5 碰撞4 5 ，单束6 0 2 每个环中每种粒子的9 3 1 3 8 9 4 长列 2 6 2 5 束数 每类的平均束流 9 1 0 e 一e + ： 4 在z o 点 9 ( 瑚a ) 1 3 3 0 1 6 5 0 4 6 当 9 0 g e v( 脉冲中) 周长或长度( k m ) 0 2 3 7 5 33 0 1 6 2 6 6 63 l 相互作用区域 l141 磁偶极的长度( m ) 外环：1 6 e 一e + ：1 1 6 6n a 内环：1 4 1 5 8 6 0 9 1 5 标准单元长度( m ) 外环：6 6 e 一e + ：7 5 7 7 6 1 7 9n a 内环：6 2 每单元的相位增加 6 0 9 04 5 01 0 2 9 0 n | 人 ( d e g ) 无标准单元 环中的偶极子数目 8 4 e - e + ：1 1 6 1 1 2 3 2 8 0 + 2 a i n j n a + 8 弱 + 6 4 弱 环中的四极子数目 1 3 4 + 2s c e - e + ：4 5 2 4 5 2 5 2 0 + 2 8 8 + 8s c n 入 磁场峰值( t )外环：0 6 7 7 e - - e 十：0 2 5 0 7 2 o 1 3 5n i 人 内环：0 7 6 6 束极化率( ) 5 5 在4 5g e v e 一： 8 0 e + ： 6 0 5 在6 1g e v 1 6 第二章h i g g s 粒子和高能对撞机简介 t e 、，a t r o nl h c ( 费米实验室)( f e r n ) 运仃开始时i 白j 1 9 8 72 0 0 82 0 0 9 运行结束时间 最大束能量( g e v ) 0 9 8 07 02 7 6t e v n 亮度( 1 0 3 0c m 一2 s 一1 ) 2 8 61 0 1 0 41 0 1 0 3 对撞时l 、日j 间隔( “s ) 3 9 62 4 9 59 9 8 完整散射角( “r a d ) o 3 0 0 1 0 0 能量变化幅度( 1 0 _ 3 ) 0 1 4o 1 1 3 0 11 束长( c m ) p ：5 0 ，p ：4 5 7 5 57 9 4 束半径( 1 0 - 6 m ) p ：2 8 ，p ：1 6 1 6 61 5 9 相互作用点的自由空 士6 53 83 8 间( m ) 初始亮度衰变时6 ( 半均值) 1 4 91 0 9 3 6 间，- l ( d l d t ) ( 1 l r ) 转变时间( m i n ) 1 5 06 0 注入能( g e v ) o 1 50 4 5 00 1 7 7 4t e v n 径向流频率( m h z ) 5 34 0 0 84 0 0 8 每束的粒子数( 1 0 1 0 ) p ：2 6 ，p ：9 l1 50 0 0 7 每个环中每种粒子的 3 62 8 0 85 9 2 束数 每类的平均束流 p ：7 0 ，万：2 4 5 8 46 1 2 ( 埘a ) 周长或长度( k m ) 6 2 8 相互作用区域2 个高亮度 2 个高亮度+ 1 1 专用+ 2 磁偶极的长度( m ) 6 1 21 4 3 标准单元长度( m ) 5 9 51 0 6 9 0 每单元的相位增加 6 7 89 0 ( d e g ) 环中的偶极子数目7 7 41 2 3 2 主偶极子 环中的四极子数目2 1 6 4 8 2 个双体，2 4 个单体 磁场峰值( t ) 4 48 3 第二章h i g g s 粒子和高能对撞机简介 1 7 2 3 高能对撞机i - h i g g s 粒子的产生和探测 2 3 1 强子对撞机i - h i g g s 粒子的产生和探测 标准模型h i g g s 粒子在强子对撞机上主要由有如下几种过程产生： 3 5 ，3 6 ，3 7 ， 3 8 ，3 9 ，4 0 ( 1 ) g g _ 日；( 2 ) q q 一钾y y + 一q q h ；( 3 ) q q _ y 日；( 4 ) g 牙，g g q 国日。图2 3 给出了以上过程具有代表性的费曼图。图2 4 则给出了上述过程在l h c 上的产生截面和h i g g s 粒子质量之间的联系 2 3 】。下面我们分别讨论下这四个产生 过程的特点，并对其贡献大小做一个简单的说明。 ( 1 ) 胶子溶合过程 这个过程的最低阶就是圈图，两个胶子通过夸克圈溶合成h i g g s 粒子9 9 _ 日， 其中又以t o p 夸克圈的贡献最大。这个过程是l h c 上标准模型h i g g s 粒子最重要的 产生道。h i g g s 粒子生成后，根据它的质量的不同区间，可分别选择相应合适的衰变 道进行探测。如果h i g g s 质量比较轻，日一7 7 是最有可能的探测道。如果h i g g s 质 量比较重的话，则可以利用日一z z 一4z 士来探测它。此时实验上有着干净的信 号，在z 的质量附近将会出现两个窄的双轻子质量峰。 ( 2 ) w w z z 溶合和“t a g ”喷注 由图2 4 可知，l h c 上，在绝大多数的参数空间内，玻色子溶合产生h i g g s 过 程拥有仅次于胶子溶合过程的反应截面。这个过程可以用来直接测量h w w 或 者h z z 的耦合。而双胶子溶合过程却不具有这样的特征，它是由日亡粥合来决定 的。反弹的喷注在质子对撞的方向上由小角度的范围内被放射出来，这些喷注被 称之为“t a g ”喷注。因为它们往往标志着一个虚的中间w ( 或z ) 玻色子的放射。 ( 3 ) 和规范玻色子的伴随产生 另外一个可能的产生机制是h i g g s 粒子与规范玻色子的伴随产生，这个产生 过程包含了由一个中间虚w 或者z 引起的d r e l l y a h 过程，其末态为h i g g sb r e m s s t r a h l u n g 。此过程的测量可以用来探澳j h i g g s 和规范玻色子之间的耦合。同时，数 据结果表明，这个过程的产生截面要比主要的产生机制，即双胶子溶合视不同的 1 8 第二章h i g g s 粒子和高能对撞机简介 g g g g h i g g s s t r a h l u n g vg h 夕 夕 h g l u o n g l u o nf u s i o n 7 0 0 0 0 0 0 0 0 l 一 g h g v e c t o rb o s o n f u s i o ni na s s o c i a t e dw i t hq 运 图2 3 强子对撞机_ l h i g g s 产生过程的典型费曼图。 参数空间要小上1 0 到1 0 0 倍。 在h i g g s 玻色子的质量取较低值时，h i g g s 和规范玻色子的伴随产生过程是比 较重要的，因为它的背景比较干净。然而，当h i g g s 质量逐渐取较大数值时，这个 过程的产生率却下降的比较厉害，这使它的作用有所降低。 ( 4 ) 和重味夸克的伴随产生 在l h c 上，h i g g s 与正反t o p 夸克对伴随产生后h i g g s 通过日一7 7 衰变，这个 过程的本底非常干净，可以用来作为在l h c 上寻找h i g g s 粒子的一种方法。这个 过程的散射截面在h i g g s 质量取较高数值的时候其贡献相对来说还是比较大的， 这主要是得益于强的h t t 耦合。因此，测量这个过程的产生率将会有助于我们确 定标准模型所预言的t o p 夸克和h i g g s 粒子之 h - j 篚j y u k a w a 耦合。当h i g g s 质量取1 2 0 g e v 的时候，这个过程的散射截面大约为0 3p b 此外人们还研究了由部分子分布函数( p d f ) 所带来的偏差。在l h c 上，根据 具体的反应道和不同的h i g g s 质量的选取，p d f - 对以上过程所造成的误差范围大约 为5 n 1 5 4 1 。 第二章h i g g s 粒子和高能对撞机简介 1 9 m h ( g a y ) 图2 4 强子对撞机_ l h i g g s 产生过程的截面 通m i g g