（理论物理专业论文）在littlest+higgs模型下通过ee对撞研究新的规范玻色子bh的产生过程.pdf

摘要 标准模型( s m ) ，是描写强相互作用和弱相互作用的 s u ( 3 ) c s u ( 2 ) rou ( 1 ) l 规范理论。粒子物理的标准模型( s m ) 己被大量的精确 实验所检验。然而，标准模型仍存在一些问题一直困扰着人们。标准模型通过引入一个 基本的标量希格斯场( h i g g s ) 使电弱对称性破缺，并使费米子和电弱规范玻色子获得质 量，但该机制不能解释质量产生的动力学机制，并且还由此产生了平庸性和不自然性问 题。这表明，s m 并不是一个完备的理论。这为超出标准模型的新物理留下了发展的空间。 其中l i t t l eh i g g s 模型是近几年非常流行的一种新物理模型。 l i t t l eh i g g s 模型是一种电弱对称性自发破缺理论，其中l i t t l e s th i g g s 模型是 一种最为简单的l i t t l eh i g g s 模型，该模型预言存在一些新的重规范玻色子孵，z n 、 届一的存在，并对标准模型中规范玻色子的质量以及一些祸合顶角产生一些修正。 l i t t l e s th i g g s 模型所预言的新的规范玻色子会在目前或将来的对撞实验中产生具有 特征的信号。未来的高亮度高能量直线对撞机i l c 将为探测这些新的规范玻色子( 尤其 是最轻的b 。) 打开一个理想的窗口。我们正是在l i t t l e s th i g g s 模型框架下，围绕着 直线对撞机i l c ，研究了通过口+ e 一对撞产生最轻规范玻色子b 。的一些过程。 在工作部分，我们研究了在直线对撞机i l c 上的规范玻色子占。产生过程： e + e 一争y ( z ) b 1 】r ，探讨通过该过程发现b , v 的可能性。研究表明，在很大的参数 空间范围，这两个过程都有较大产生截面，能产生足够的事例来探测b 。，特别是对过 程e + e 一 ，召。而且，b 。还存在一些能够提供典型信号和清晰背景的衰变道。因 此，如果规范玻色子b 。确实存在的话，在未来的i l c 上，通过这两个过程应能观测到 这一新的规范玻色子。 关键词：标准模型，直线对撞机i l c ，l i t t l e s th i g g s 模型，产生截面，规范玻色子吼。 a b s t r a c t t h es t a n d a r d m e d e l ( s m ) ，i n c l u d i n g t h e s t r o n g a n de l e c t r o w e a k i n t e r a c t i o n s ，i s a s u ( 3 ) c 圆s u ( 2 ) r 固u o ) g a u g e m o d e lw h i c hh a sb e e nt e s t e db ym a n ye x p e r i m e n t s h o w e v e r , t h e r e a r ea l s os o m ep r o b l e m se x i s t e di nt h es mw h i c hp u z z l e sp e o p l e af u n d a m e n t a la c a i a rh i g g sf i e l d ， i n t r o d u c e di nt h es m , i sn o to n l yr e s p o n s i b l ef o rt h ee l e c t r o w e a ks y m m e t r yb r e a k i n g ( e w s b ) b u ta l s o a c c o m m o d a t e sf e r m i o na n dw e a kg a u g eb o s o nm a s s e s h o w e v e r , t h es mc a l ln o te x p l a i nt h ed y n a m i c s r e a s o nf o rt h eg e n e r a t i o no ft h em a s s e s f u r t h e r m o r e ，t h es c a l a rs e c t i o ns u f f e r sf r o mt h ep r o b l e m so ft h e t r i v i a l i t ya n du n n a t u r a l n e s s t h i si n d i c a t e st 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 d o f t h es t o r ya n di tw i l ll e tal i t t l er 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 a sak i n do f n e w p h y s i c sm o d e l s ，l i t t l eh i g g sm o d e li sv e r yp r e v a i lo n er e c e n t l y t h el i t t l em o d e li sa ni m p o r t a n tt h e o r yw h i c hr e a l i z e st h ee l e c t r o w e a ks y m m e t r yb r e a k i n g s p o n t a n e o u s l ya n dt h el i t t l e s th i g g sm o d e li st h es i m p l e s to n ea m o n gv a r i o u sl i t t l eh i g g sm o d e l sw h i c h p r e d i c t st h ee x i s t e n c eo f t h en e wh e a v yg a u g eb o s o n s ( 嘭，乙，) o nt h eo t h e rh a n d ，t h em o d e lc a n g e n e r a t et h ec o r r e c t i o nt ot h em a s s e so fg a u g eb o s o n si nt h es ma n dt ot h et r e e l e v e lc o u p l i n g sv e r t i c e s t h en e wg a u g eb o s o mp r e d i c t e db yt h el i r l e s th i g g sm o d e lm i g h tp r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i cs i g n a t u r e sa l t h ep r e s e n ta n df u t u r eh i 【g he n e r g yc o l l i d e re x p e r i m e n t s t h ef u t u r el i n e a rc o l l i d e ri l c ，w i t ht h eh i g h e n e r g ya n dl u m i n o s i t y , c a l lo p e na l li d e a l w i n d o wt op r o b et h e s en e wg a u g eb o s o n s ，s p e c i a l l y , t h e l i g h t e s t b h i nt h ef r a m e w o r ko ft h el i r l e s th i g g sm o d e l ，w es t u d ys o m el i g h t e s tg a u g eb o s o nb h p r o d u c t i o np r o c e s s e sv i a e + e c o l l i s i o na tt h el i n e a rc o l l i d e rt l c i no u rw o r k , w es t u d yt h eg a u g eb n s o n b hp r o d u c t i o np r o c e s s e sa t t h el i n e a rc o l l i d e ri l c e + e 。专y q 、b h ，a n dd i s c u s st h ep o t e n t i a lt od i s c o v e r8 hv i at h e s ep r o c e s s e s - t h es t u d ys h o w st h a t t h ep r o d u c t i o nr a t e so ft h e s et w op r o c e s s e sa r el a r g ee n o u g ht od e t e c t b h i naw i d er a n g eo ft h e p a r a m e t e rs p a c e ，s p e c i a l l yf o rt h ep r o c e s se + e 一斗r b f u r t h e r m o r e ，t h e r ee x i s ts o m ed e c a ym o d e sf o r b hw h i c hc a np r o v i d et h et y p i c a ls i g n a l a n dc l e a nb a c k g r o u n d t h e r e f o r e ，t h en e wg a u g eb o s o nb h s h o u l db eo b s e r v a b l e v i a t h e s e p r o d u c t i o n p r o c e s s e s a t t h e f u t u r e l l c i f i te x i s t s i n d e e d 1 i k e yw o r d s ：t h es t a n d a r dm o d e l ，t h el i n e a rc o l l i d e ri l c ，t h el i t t l e s th i g g sm o d e l ，t h ep r o d u c t i o nc r o s s i i i 独创性声明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另t l d h 以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河 南师范大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：遂盗! 虱日期：丝丑： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权河南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适用本授权书) 签名：曾束阊导师签名：丑盛盘日期： 严牛 第一章前言 第一章前言 物理学最活跃的前沿科学之一是物质的基本结构和相互作用规律学科，人们试图从 各个不同的方面，用各个不同的理论来论述基本粒子的规律。自然界存在四种基本的相 互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。长期以来，物理学 家一直致力于用一个统一的规律来描述这四种基本的相互作用，他们进行了多方面的研 究。在上世纪五十年代到七十年代之间，理论物理学界取得了巨大的成就。1 9 5 7 年杨振 宁和李政道发现了宇称不守恒，完善了基本粒子的时空对称性理论；1 9 6 5 年格尔曼 ( g e l l m a n n ) 的么正对称理论，预言了夸克的存在，从此进入了基本粒子的新时代； 1 9 7 9 年格拉肖( g l a s h o w ) 、温伯格( w e i n b e r g ) 和萨拉姆( s a l a m ) 建立了弱电统一规 范理论。在杨振宁等 1 提出的规范场理论中，为使描写粒子间相互作用的拉氏量对定 域规范变换具有不变性，必须引入规范场，从而解释了相互作用的来源，各种场与规范 场的耦合形式由定域规范不变性所完全确定，使规范理论成为相互作用统一理论的基 石。弱电统一理论 2 ，3 ，4 是s u ( 2 ) 固u ( 1 ) 规范场论，量子色动力学( q e d ) 是s u ( 3 ) 5 规范场论。人们把这二者结合起来，构成s u ( 3 ) 固s u ( 2 ) 固u ( 1 ) 规范场论，把其称为 标准模型( s m ) 。标准模型很好地描述了基本粒子及其相互作用。迄今为止，还没有明显 的实验数据与标准模型相违背，无数的精确实验证实了该模型的正确性 6 ，7 ，8 。标 准模型是迄今为止公认的最好的描述弱、电、强三种相互作用的规范理论，很好地描述 了基本粒子及相互作用的唯象学。在标准模型中，粒子可分为三类：费米子、中间矢量 玻色子和希格斯粒子( h i g g s ) 。费米子是构成物质世界的基本单元，包括夸克和轻子： 中间矢量玻色予包括光子，、w 和zo 、胶子g ，分别传递电磁相互作用、弱相互作用、 强相互作用。标准模型自建立到现在的几十年里，已被大量的实验所证实。例如1 9 7 4 年，规范玻色子w 、z 的发现 9 ，粲夸克( c h a r m ) ，底夸克( b o t t o m ) 的确认以及顶夸 克( t o p ) 被c d f 、d o 实验组发现 1 0 等。这一切都表明，标准模型已取得了巨大的成 功，可以说它的理论框架是非常完美的。虽然标准模型取得巨大的成功，但仍存在许多 不完善的地方。为了产生s u ( 2 ) 圆u ( 1 ) 对称性自发破缺，人们在标准模型中引入了h i g g s 场，但也由此导致了标准模型的平庸性和不自然性等问题。h i g g s 是标准模型中唯一的 非规范相互作用部分，它破坏了理论的统一性，而且标准模型中的大部分自由参量来自 非规范相互作用。由于迄今实验上还未发现h i g g s 玻色子，人们有理由怀疑标准模型的 i 第一章前言 基本标量场部分，并寻求令人满意的电弱对称性破缺机制。 由于标准模型存在上述这些问题，人们普遍认为它只是在一定能标以下的低能有效 理论。为了解决上述这些问题，并且更深入地研究电弱对称性破缺机制，人们在t e v 能 区提出了一些超出标准模型的理论( 统称新物理) ，现在运行的和未来的t e v 能量对撞 机将对这些理论进行检验。由于电弱对称性破缺机制与了解粒子质量的起源问题相关， 所以探测与电弱对称性破缺机制有关的新物理是当前粒子物理领域很有兴趣和重要研 究课题。 目前，在t e v 能区，超出标准模型的新物理的重要候选者有超对称( s u s y ) 1 1 、 动力学破缺 1 2 、额外维物理 1 3 ，1 4 以及l i t t l eh i g g s 模型 1 5 ，1 6 ，1 7 等。人们已 经在这方面做了大量的研究，探讨这些模型是否是解释电弱对称性破缺的正确理论，并 且这些理论还在进一步的发展。l i t t l e h i g g s 模型正是近些年来提出的类可以在t e v 能区稳定h i g g s 质量的模型，它为解决标准模型中的规范等级问题提供了一个新的途 径。它的基本思想是把h i g g s 粒子构造成赝格尔斯通( p s e u d o g o l d s t o n e ) 粒子，让它 的质量在单圈阶避免受到规范玻色子和重的费米子引起的二次发散的影响。而基于 s u ( 5 ) s o ( 5 ) 规范群的l i t t l e s th i g g s 模型 1 8 是l i t t l eh i g g s 思想的最简单实现， 是标准模型的最小扩充。l i t t l e s th i g g s 模型预言存在一些新的重的规范玻色子、h i g g s 粒子、类矢夸克、重标量粒子，这些粒子的质量应远大于1 t e v ( 除最轻的s u o ) 规范玻 色子外) 。 人们已经对这些新粒子在现在和将来对撞机上的特征迹象，以及这些新粒子的产生 和衰变进行了研究。人们普遍认为强子对撞机，如t e v a t r o n 和2 0 0 7 年运行的l h c ，可 以直接探测到直到几个t e v 能标下超出标准模型的可能新物理。然而，仍需要t e v 能 量e + e 一直线对撞机对新物理预言的新粒子进行精确的测量 1 9 。新一代的t e v 能量e + e 一 直线对撞机i l c ，其质心能量可以达到3 0 0 g e v 1 5 t e v ，为新物理研究打开了新的窗 口 1 9 ，2 0 ，也为新物理的检验和精确测量提供了良机。文献 2 1 ，2 2 ，2 3 研究了精确电 弱测量对l i t t l e s th i g g s 模型的限制以及l h c 实验中产生荷电h i g g s 粒子的可能性： 文献 2 4 对l h c 实验中重规范玻色子的产生和衰变、双h i g g s 产生和h i g g s 衰变到两个 光子的分支比等进行了研究；文献 2 5 研究了重光予衰变等过程；文献 2 6 在l i t t l e s t h i g g s 模型中研究了分支比r 。；文献 2 7 在l i t t l e s th i g g s 模型下讨论了新规范玻色 子对h i g g s 产生过程e + e 一斗z h 的相对修正；文献 2 8 研究了在e ，对撞机上新的重规 2 第一章前言 范玻色子的产生；文献 2 9 研究了未来的直线对撞机( i l c ) 对l i t t l e s th i g g s 模型参数 的限制。 已经开始运行的l h c 有望发现新物理存在的证据，计划中的高能量e + e 一直线对撞机 i l c 将为精确测量提供条件。从理论上研究l i t t l e s th i g g s 模型中的新粒子，特别是 最轻的规范玻色子b 。的产生过程，可为实验探测提供有价值的的理论指导。本文，我 们研究了两个重要的产生过程：e + e 一一y ( z ) b 。，发现在未来的i l c 上，通过这两 个过程，我们能够发现l i t t l e s th i g g s 模型所预言的新粒子。 本文的结构如下：第二章我们将对对撞机及对撞机上的实验进行简单的介绍；第三 章综述了l i t t l e s th i g g s 模型的基本思想：第四章是工作部分，主要研究了在l i t t l e s t h i g g s 模型框架下，e + e 一对撞机上新的规范玻色子的产生过程：e + e 一 ( z ) & ； 第五章进行了简单的总结和展望。 第二章对撞机及高能e + e 一对撞试验 第二章对撞机及高能e + e - 对撞实验 粒子物理是- - t 7 研究物质的基本粒子和粒子之间相互作用规律的前沿学科。对于基 本粒子，人们在不断寻找揭示其真实面目的手段。高能物理实验是检验粒子物理理论和 探索物质结构的重要手段。国际上高能物理实验的主要研究领域分为两个方面，一是高 精度前沿，精确检验标准模型和测量其基本参数。二是高能量前沿，寻找h i g g s 粒子和 其它新粒子，探索超出标准模型的新物理现象。在二十世纪中叶以前，粒子物理实验主 要依靠放射性物质和宇宙射线，但存在一个最大的困难是高能粒子束流的强度太弱。随 着粒子加速器的出现和粒子束能量的不断提高及高性能计算、网络、冷却磁体等技术的 发展和突破，粒子物理实验重点转向固定靶和对撞束实验，极大地促进了粒子物理学的 发展。对撞机在粒子物理实验中起着更加重要的作用，下面首先对对撞机进行概述，然 后对已有的和下一代的p + 口一对撞机上的实验加以简单的介绍。 2 1 对撞机简介 高能对撞机是一种加速器，其主要原理是积累并加速相继由前级加速器注入的两束 粒子流，到一定束流强度及一定能量时使其在相向运动状态下进行对撞，以产生足够高 的相互作用反应率。根据相对论，两个质量为m ，动能为t 的粒子对撞，有效作用能量 等于质心系总能量：e = 2 t 。如果一个是静止，另一个粒子一定要有：e 。= 2 t 2 m c 2 的能 量才能达到同样大小的有效作用能量。目前，对撞机大多是利用储存环把要进行对撞的 粒子加速到最终能量后储存在一个环内( 对于电荷相反而磁钢度相同的粒子，如，电子 一正电子) 或两个环内( 对于同种粒子，如，质子一质子) ，以实现电子一正电子，质 子一质子或质子一反质子的对撞。对撞机实验属于高能物理研究范畴，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，已成为高能物理实验的重要手段。随着粒 子物理的迅速发展，高能物理实验除了要求大的质心能量外，还需有高的亮度，它是描 述对撞机中粒子束性能的一个物理量。 表2 1 中的亮度是描述对撞机中粒子束性能的一个物理量。对撞机上每秒钟发生某 一反应的次数等于亮度乘上这一反应的截面，对撞机中粒子束流越强，越细，亮度也越 大。对质子束，其亮度为： ，n i n l ， l 2 r ， 4 第二章对撞机及高能e + e 一对撞试验 式中，s 为束流截面， ，为各束粒子数，厂为迪转频率。 许多感兴趣的相互作用过程的截面很小，为探测到这种事例就需要更大的亮度。高 能物理的深入研究需要大量的数据，亮度提高后，将使数据大量增加，精确度大幅提高， 为获得重大创新成果奠定基础。 表2 1 列出了部分已经建成的主要对撞机 对撞机名对撞机对撞机能量对撞机亮度研究内容建成 称类型时间 b e p c e + 一e 一 2 ( 2 2 2 8 ) g e v 1 1 0 3 1c i , i q - 2 s 一1j | q i d s o 1 9 8 8 l e p e + 一e 一 2 x ( 5 0 1 2 0 ) g e v i 1 0 rc m 一2 j l h i g g s 1 9 8 7 i s l c e + 一e 一 2 5 0 g e v5 1 p o 硎- 2 s - 1 h i g g s ，b 1 8 8 6 t e v a t r o n 2 1 0 0 0 g e v1 1 一j 3c m - 2 s 一1 h i g g s 1 9 8 6 p p f d o r i s e + 一e 一 2 x 5 1 g e v 3 珈0 ”c m 4 s 。 t o p 夸克 1 9 7 3 日本k e k 和美国s l a c 正在运行的b 介子工扩对s 夸克和b 夸克的研究将对标准模 型在解释c p 破坏现象上的正确性给以检验。乡f 国的c l e o c 和北京的b e p c 对测量粲夸克 能区物理及轻强子谱起着重要作用。这些高亮度的加速器上的实验将对夸克各代之间混 合，转换做出了系统的研究。 7 0 年代中期，德国在汉堡建成d o r i s ，7 当时设计的主要物理目标是寻找顶夸克。但 在这个机器上并不能找到顶夸克，而得到了一个重要发现：发现胶子。由三喷注现象发 现胶子喷注，为强作用的场粒子，胶子的存在提供了直接证据。费米实验室的t e v a t r o n ， ( p p ) 对撞机的质心能量是1 8 t e v 。1 9 9 4 年在这台机器上找到了顶夸克。9 5 年亮度 达= 2 5 x 1 0 3 1 c m - 2 s 一，测得顶夸克的质量m ，= 1 7 6 8 6 5 g e v ( c d f ) 。2 0 0 0 年完成加速器 和探测器的升级进一步提高亮度和改进测量精度，测得顶夸克质量肘，= 1 7 4 3 士5 i g e v 。 2 0 0 4 年，c d f 、d o 、l e p 工作组测得顶夸克质量m ，= 1 7 8 0 4 3 g e v 3 0 。 目前，国际上主要有两种类型的对撞机：强子对撞机和直线对撞机( l c ) 。在寻找 h i g g s 粒子和新物理方面，强子对撞机是一个非常有用的工具，但是由于强子对撞机的背 景很大，在精确测量方面不十分理想。直线对撞机( l c ) 具有低强子背景的优点，因此， 5 第一二章对撞机及高能e + e 一对撞试验 它是研究标准模型和超出标准模型的新物理的理想实验室。而且，与强子对撞机相比， l c 具有许多优越性： 1 对撞粒子的质心能量是可调的。 2 l c 对撞机要比强子对撞机上的事例清晰的多。 3 在l c 对撞机上，通过c o m p t o n 散射，可实现光子一光子对撞和电子一光子对撞。 光束是可极化的，利用极化光束，我们不仅可以探测基本耦合的自旋结构，减少 精确测量中的对称性错误，而且还可以为某些道( 例如：手征超对称粒子 s p a r t i c l e s 的产生) 提供有效的亮度。最重要的是使得某些过程中来自w w 玻色 子对的背景减少了。 4 对于质量不太大的粒子，l c 上的测量要比强子对撞机上的精确得多。而且，标 准模型中的h i g g s 粒子一直未在强子对撞机上探测到，我们有望在l c 上探测到 此粒子。 在c e r n 建造的大型强子对撞机l h c ( p p 对撞，质心能量达1 4 t e v ) 是在原有的l e p 环内建造的，2 0 0 7 年正式运行。主要物理目标是h i g g s 粒子和新物理的寻找和探索。人 们相信，随着l h c 的运行，将有助于我们搞清电弱破缺机制，发现新物理。但高精度的 测量还有待于更高能量、更大亮度的e + e 一对撞机。由于环形电子对撞机向更高能区发展 时遇到同步辐射能量损失随束流能量的四次方增长的困难。因此，国际高能物理界达成 共识：在l h c 之后，采用大型直线对撞机( i n t e r n a t i o n a ll i n e a rc o l l i d e r ，简称i l c ) 作为新一代的高能物理对撞机。 新一代的直线对撞机将是一台超高能量的正负电子对撞机，突破现有的环形对撞机 的能量上限，产生更高能量的粒子。粒子物理领域的下一个计划是筹建质心能量在3 0 0 g e v 到1 5t e v 的i l c 。它是独一无二的世界性计划，预计在2 0 1 7 年开始运行。目前技 术上有两种方案：导电加速技术和超导加速技术。2 0 0 4 年8 月，国际技术建议小组 ( i t r p ) 委员会建议把超导技术应用到i l c 计划中，粒子物理的世界性团体一国际未来 加速器委员会( i c f a ) 也认同了这个建议。将来的i l c 是一台超高能量的正负电子对撞 机。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 0g e v 的能量，质心 系能量达到5 0 0g e v ，以后还可以扩展到i t e v ，将建造在总长约3 4 0 公里的地下隧道里。 直线对撞机除了上述特性外，它还与强子对撞机具有互馈性。例如：如果超对称是正确 的，那么我们就可在l h c 上发现其所预言的粒子，在l c 上我们就可集中在某一域值对 6 第二苹对撞机及高能e + e 一对撞试验 其进行观察与精确的测量。另一方面，由于l h c 上的实验受最轻的超对称粒子质量标度 的影响，我们可以利用l c 上最轻的超对称粒子质量的精确测量值再反馈到l h c 上进行 分析。下面我们主要介绍一下l e p 和s l c 对标准模型的精确检验以及新一代直线对撞机 上可能的新物理迹象。 2 2l e p 和s l c 对标准模型的精确检验 二十世纪八十年代，西欧和美国先后建成l e p 和s l c 正负电子对撞机。在此后的几 十年罩，在此上做了大量的实验，产生了丰富的物理现象，极大的促进了粒子物理学的 发展，为标准模型的深入检验提供了良机。 l e p 是由多级加速器串接而成，包括：l i l - e p a p s s p s l e p 。l e p 实验分两个阶段： 从一九八九年到一九九五年是第一个阶段，质心能量接近9 1g e v ，相当于中性矢量玻色 子z 的质量，开始产生大量z 粒子：e + e 一寸z ；一九九六年到二零零零年为第二个阶段， 质心能量达到1 6 0 2 0 0g e v ，开始产生w 粒子：e + e 一寸w 。 毒” 鲁 毒1 0 4 古 1 0 3 1 0 2 l o 图2 1e + e 一 f f 的截面的变化的曲线图 s l c 只有一个探测器s l d ，质心能量比较低，但采用了极化入射粒子束，亮度较高。 下面简单介绍一下在l e p 和s l c 上测得标准模型中规范玻色子z 和w 的一些重要结果。 一规范玻色子z z - p o l e 实验是检验标准模型的一个重要环节，l e p ( a l e p a ，d e l p h i ，l 3 ，0 p a l ) 和s l cs l d 7 第二章对撞机及高能e + e 一对撞试验 合作组主要研究了e + e 一专z o - - - ) 痧过程中的一些物理迹象，他们给出了一些结果。在z 。 的极点处，p + p 一一矽的截面主要由z 。的共振所决定，p + p 一专矽的截面的变化的曲线 如图2 1 。 p , e + e 一_ 矽截面图上，可以得到 3 1 ： 规范玻色子z 的质量： m ：= 9 1 1 8 6 7 2 1 m e v 标准模型给出树图级规范玻色子z 衰变味费米子对的衰变宽度： r ，：c g f m 3 z ( g j ) z + ( g ) ： z j ， 2 4 4 2 z “ 。 规范玻色子z 的总宽度为： r z = 2 4 9 3 9 9 2 , 4 m e v 规范玻色子z 衰变的部分衰变宽度： r ( z v v ) ；1 6 7 2 5 m e v r ( z je + e 一1 i 8 4 0 1 m e v r ( zju u ) i3 0 0 3 0 m e v r ( z d d ) ；3 8 3 i o m e v r ( z b b ) 3 7 6 0 0 m e v r ( z 寸t t ) ；8 3 9 0 o 1 0 m e v r ( z 啼h a d r o n s ) i1 7 4 2 2 3 m e v 目| j i 的高能实验对一些可观测物理量的测量精确度可达到千分之一量级，这对检验 标准模型，探索新物理提供了重要依据。依据e r l e r 分析z - p o l e 实验测量结果，表2 2 给出一些主要的电弱可观测量的实验测量值 3 2 、标准模型预言值及与标准模型存在的 偏差。表中第二列的数值为实验测量的结果，其误差包括系统误差和统计误差；第三列 为标准模型预言值，其误差来源于理论计算的不确定性，最后一列为物理量的实验测量 值与标准模型预言值之差与实验误差的比值。整个实验数据在取值时，取相关参数 第二章对撞机及高能e + e 一对撞试验 m h ，m ：，仃，口：) 为最佳拟和值 3 3 。 表2 2 几个主要电弱可观测量的精确测量结果 被测量实验值标准模型的理论值 标准偏差 m ：陋v 】 9 1 1 8 7 6 士0 0 0 2 1 9 1 1 8 7 4 0 0 0 2 1o 1 疋 g e v 】 2 4 9 5 2 0 0 0 2 32 4 9 7 2 0 0 0 1 1一o 9 叱k 6 】 4 1 5 4 l 0 0 3 7 4 1 ，4 7 0 0 0 1 0l9 霹 0 2 1 6 6 4 0 0 0 0 6 50 2 1 5 7 2 0 0 0 0 1 51 1 雕 0 1 7 1 8 0 0 0 3 10 1 7 2 3 1 0 0 0 0 0 6一o 2 a ，o 。b 0 0 9 9 5 0 0 0 1 70 1 0 3 6 0 0 0 0 8- 2 4 一砦 0 0 7 1 3 0 0 0 3 60 0 7 4 1 0 0 0 0 7 一o 8 以 0 9 2 2 0 0 2 0 0 9 3 4 7 6 0 0 0 0 1 20 6 4 0 6 7 0 0 0 2 60 6 6 1 8 0 0 0 0 5o 1 a l r ( h a d ) 0 1 5 1 3 8 土0 0 0 2 1 60 1 4 7 8 0 0 0 1 2 1 7 a m ( 1 e p ) 0 1 5 4 4 0 0 0 6 00 1 4 6 6 0 0 0 1 51 1 m ( g e v ) 8 0 4 4 6 0 0 4 08 0 3 9 l o 0 0 1 91 4 ( g e v ) 2 1 5 0 0 0 9 12 0 9 3 3 0 0 2 4 1l2 其中一些被测量值的物理涵义为： z l 的极点处，p + p 。斗疗的截面主要是被乙的共振所决定，当p 的时候， 有这样的式子： 警= i 9 蠢豫队毋札圳+ 2 e o s o a y h 训汜， 9 至= 三茎翌垄! ! 壑曼璧! 翌丝堕墼 其中是电子束流的极化率，s 是质心系能量的平方，l 。是z l 的衰变总宽度，l 和r ，? 分别是z c e e z l f f 的分宽度，曰为入射电子和出射费米子的夹角。 相互作用的左右不对称参数由下式给出： 4 ：粤 ( 2 2 ) u u | z 。寸f 7 衰变宽度由下式给出： f 7 = 。籍6 ，2 + 口，2 x 1 + 万。) 万。：掣+ 穆，生 q a 。 氕 口，= 以讥7 ( 2 3 ) v ，= 0 一。i q 小i n2 口多) 具中，y 是l j 位旋第= 分量，乳是费术于电荷；n c 为色猬杯，弩免的n c 等于3 ， 轻子的。= 0 。另外轻子的玎，2 0 ，夸克刁，2 1 。 盯乙是峰强子截面： 州幼卷 陇t ， 接下来是截面比：规范玻色子z 衰变到b 夸克或c 夸克与所有强子道的分支比 群= 老 汜。， 影：生 非极化的前后不对称参数为： ( 2 。6 ) 彳厶= 籍= 三铲丽2 9 g j ( 2 t ) 1 0 第二章对撞机及高能e + e 一对撞试验 其中，g i = 2 ( g + g d ，g j = 2 ( g f g ) 分别为耦合的矢量、轴矢量常数。 二规范玻色子w 正负电子对撞机l e p 和斯坦福直线加速器( s l c ) 已经对玻色子z 进行了非常精确的 测量。另外，l e p 上给出了规范玻色子的质量为： m = 8 0 4 4 7 0 0 4 2 g e v ( 2 8 ) 标准模型的预言值： 膨= 8 0 3 9 1 o 0 1 8 g e y ( 2 9 ) 二者有1 3 t r 的标准偏差。 若对电子和正电子建一个“旁路”通道，低能量的直线对撞机就可达到很高的亮 度，那么，在z 玻色子共振处每年就可产生1 0 9 个z 事例，从而把l e p 的事例提高了两 个量级。另外，若对初态电子和正电子加上纵向极化，由左右手不对称量： 一l r 嚣瓮等 眩 丑2 百瓦石再寿 心川 测得的电弱混合顶角精确值为： d s i n2 巩z 1 0 。5 3 4 玻色子的测量精确度可提高为： 脚。6 m e v 3 5 以s i n2 吼，m ，的精确测量为基础，电弱部分的其它各种精确测量都可以由此展开。 从以上的实验结果 3 3 ，3 4 分析来看，绝大部分电弱可观测物理量的测量与理论预 言值符合的很好，但还有一些存在较大的偏差。虽然，电弱精确测量说明标准模型是非 常成功的，但是，还是不能排除新物理存在的可能性。 许多超出s m 的理论在规范群破缺时，产生一个或多个额外的u ( 1 ) 群，如果其中一 个或者几个的组合在相对较低的能量下仍未破缺，则额外的规范玻色子z ，将会有一定 的物理效应。可能在新一代线性e + e 一对撞机上探测到。 z 对客观测量的效应主要来源于三个方面： 1 交换虚的z 粒子改变所有粒子s 道的产生截面和不对称性； 2 如果新的规范z 和z 粒子混合，则低质量本征态和s m 中的z 粒子质量不会重合， 会有一个小的偏差： 第二章对撞机及高能e + e 一对撞试验 3 由于z 和z 粒子混合，低质量本征各和费米子的耦合混有和z 费米子耦合的成 分，由于 l e p 和s l c 实验中z 和费米子的藕合已被精确测定，所以z 和z 粒子的混合 受到严格限制。 2 3 下一代直线对撞机上的新物理 2 0 0 7 年，能量达1 4 t e v 的质子一质子对撞机开始运行，在这一对撞机上应该首先发 现标准模型预言的h i g g s 粒子或新物理存在的迹象，但还必须有高能量，高亮度直线对 撞机进行精确测量。直线对撞机筹建的下一个计划是建造质心能量在3 0 0 g e v 到1 5 t e v 的i l c ( i n t e r n a t i o n a ll i n e a rc o l l i d e r ) ，它采用了德国高能物理所d e s y 原计划建造 的正负电子对撞机t e s l a 的设计方案，预计在2 0 1 7 年开始运行。它年积分亮度最大可 达5 0 0 f l , 一 y e a r 。 i l c 具有下列特点 3 5 1 质心系能量高，分布范围广。i l c 的质心系能量可以从3 0 0 g e v 到1 5 t e v ，一 些重要的过程均在此范围内。如：过程e + e 一寸z h 在质心系能量5 0 0 g e v 时，截面为 l o o f b 。 2 高亮度。i l c 的年积分亮度最大可达5 0 0 归y e a r 。i l c 由于作用点较小，束流 集中，可使亮度大大增加，可精确测量各种过程。 3 高精度。i l c 质心系能量可做到a e e 1 0 - 4 ，绝对亮度的测量误差为0 1 ，且 能量分布和亮度谱均可精确测量。 4 高极化率。在i l c 的入射束中，8 0 电子和4 5 6 0 正电子被极化，极化率测量 精度达9 9 5 。极化入射束粒子可使对撞实验提高对新物理效应，不对称性及g i g a z 计 划中s i n 2 见，等的测量精度。 5 多用途。在j 下负电子对撞的基础上，还可以建造对撞机和p ，对撞机，这两种 对撞机对于探测电弱对称性白发破缺机制和新物理也非常有用。 i l c 可进行大量的高能实验，主要可分为三类： i 寻找和确定h i g g s 粒子。 h i g g s 机制在s m 中起着关键作用。l e p 和s l c 实验已建立了粒子间相互作用的各种 性质，但h i g g s 机制仍没有得到证实。各种实验倾向于一个轻的h i g g s 粒子。假如h i g g s 存在，i l c 可以对它进行全面的测量，确定h i g g s 粒子的质量、寿命、产生截面、分支 第二章对撞机及高能e + e 一对撞试验 比、与顶夸克的y u k a w a 耦合和自相互作用等。除了s m 预言的h i g g s 粒子外，其它一些 超出s m 的新物理，如超对称、l i t t l eh i g g s 模型等，预言了多个h i g g s 粒子，除中性 h i g g s 粒子外，还有荷电h i g g s 粒子，i l c 还可以对它进行全面的测量，从而确定找到 的h i g g s 粒子是否就是s m 中的h i g g s 粒子，或是其它新物理预言的h i g g s 粒子。i l c 对l j i g g s 粒子质量的测量误差在1 2 0g e v 时，为5 0 m e v ；在2 0 0 g e v 时，为2 0 m e v ；分支 比的测量能精确到百分之几，与项夸克的耦合误差小于5 ；h i g g s 势可通过测量z h h 终 态质量，自相互作用精度为8 0 。 2 对s m 进行进一步检验 i l c 可以通过研究w w 自耦合精确验证电弱相互作用中的非阿贝尔规范对称性。由于 i l c 亮度高，可以对电弱混合角和w 玻色子质量进行更精确的测量，同时还可通过研究 w 衰变和c p 破坏的b 介子衰变过程，确定c k m 矩阵元，与b 介子工厂实验相互补充。i l c 还可对顶夸克的各种性质进行精确测量，质量测量精度可达到1 0 0m e v 。除电弱作用外， i l c 还可以对q c d 进行检验。 3 探索超出标准模型的新物理。 除了上述通过h i g g s 粒子研究新物理外，i l c 还可以直接或间接地对各种新物理预 言的重的矢量玻色子、其他轻子和夸克进行探测。特别是利用i l c 的高亮度和极化入射 束，对s l 中的过程进行精确测量，寻找新物理的迹象。近期的研究表明，万有引力和 其它力可能在比以前预期的能标低的很多的情况下实现统一。如果额外的空间维卷曲起 来，会产生有效自旋为2 的力，可以在i l c 上探测到一些效应，从而对时空的基本结构 进行研究。寻找超对称预言的伴子也是i l c 的重要目的之一。在动力学破缺理论中，预 言能量接近1t e v 时，存在矢量玻色子w w 之间的强相互作用，i l c 可以在5 0 0g e v 产生 w 粒子：e + e 一专w + w 一，在8 0