高能对撞机上TeV物理研究课件

高能物理过程的精确计算中国科学技术大学张仁友2006年10月31日桂林9/3/20231高能物理过程的精确计算中国科学技术大学张仁友8/1.引言标准模型的检验

W，Z，top等粒子的物理特性的精确测量…Higgs粒子的寻找与测量

Higgs粒子是否存在

Higgs粒子的物理特性是否是标准模型的Higgs粒子新物理的发现与精确测量

超对称，额外维，小Higgs模型…等新模型的发现；模型参数测量9/3/202321.引言标准模型的检验8/3/20232高能对撞机Tevatron(running)

com:

1.96

TeV

PPbar

lumi:

2E32

cm-2s-1

CDF,D0LHC(2007)

com:

14

TeV

PP

lumi:

2E33

cm-2s-1

@lowluminisity,then2E34

cm-2s-1

ATLAS，CMS，LHCb，AliceLC(inthefuture)e+e-collisionandgamma-gammacollision,ore-gammacollision

NLC,JLC,TESLA,CLIC9/3/20233高能对撞机Tevatron(running)LHC(20大量费曼图的计算；标量积分函数的计算；张量积分函数推导为标量积分函数的计算；控制数值计算的精度。多体末态!高精度！理论上高精度计算存在的四个主要问题:9/3/20234大量费曼图的计算；多体末态!理论上高精度计算存在的四个主要问2.量子场论计算的基础知识可观测量O的期望值:其中为过程的矩阵元（动力学部分）为相空间体积元9/3/202352.量子场论计算的基础知识8/3/20235a)费曼规则:费曼图数学表达式

图形与幅度的转换过程是按照费曼图图形技术中所对应的规则进行的;外线对应自由波函数，内线对应着传播函数，顶点对应相互作用顶点。例:费米子传播函数的规则和三胶子作用顶点的规则：

9/3/20236a)费曼规则:费曼图数学表达式

例：矩阵元其中9/3/20237例：8/3/20237二阶张量圈图积分函数部分：矩阵元中剩余部分：标量积分函数：9/3/20238二阶张量圈图积分函数部分：8/3/20238b)IR和UV发散的正规化

k0,IR发散!k

inf,UV发散!维数正规化方案（n=4-2）

UV发散的l圈图积分函数则出现最高达阶极点项。

IR发散的l圈图积分函数则可以出现直到阶的极点项。9/3/20239b)IR和UV发散的正规化8/3/20239c)

N条外线过程的NLO计算含胶子、光子或轻夸克辐射的N+1条外线树图的对应幅度产生；实(胶子、光子、轻夸克)辐射过程软、共线发散的分离；PDF抵消项贡献中红外发散(共线发散)的分离；N条外线单圈图(包括抵消项图)的对应幅度的产生；计算单圈图，分离出软、共线发散；将上述贡献相加，消除紫外及红外发散；有限贡献的幅度数值计算。9/3/202310c)N条外线过程的NLO计算含胶子、光子或轻夸克辐射的N3.单圈标量积分函数计算

n（=4-2）维下费曼图对应的幅度可以表示为对张量积分函数与外部张量S的乘积求和，即其中S只与外线运动学相关．9/3/2023113.单圈标量积分函数计算n（=4-2）维下费曼图

I的一般形式为：

对应于对称张量组合．例如：标量系数可以通过Passarino-Veltman方法求出．它们由标量积分函数表示出．上述即为张量积分的约化过程。

9/3/202312I的一般形式为：8/3/202312（1）标量A,B,C,D圈积分函数定义;

其中:9/3/202313（1）标量A,B,C,D圈积分函数定义;8/3/202313（2)基本标量积分函数计算:

以为例来说明标量函数的计算。1）Feynman或Schwiger参数化.Feynman参数化Schwiger参数化2）积分变量平移.

定义:

9/3/202314（2)基本标量积分函数计算:以3）Wick旋转.4）D维欧氏空间的球坐标变换.9/3/2023158/3/2023155）角向及径向积分.作变换：

并对径向作积分：有：角向积分：9/3/2023165）角向及径向积分.角向积分：8/3/202316（3）A,B标量积分函数的解析结果：G.'tHooftandM.Veltman,NLB153,365(1979)

9/3/202317（3）A,B标量积分函数的解析结果：G.'对标量五点积分函数：

(A.DennerandS.Dittmaier,hep-ph/0212259)

(4)五点标量函数计算:9/3/202318对标量五点积分函数：(A.DennerandS.Di(5)六点标量积分函数计算:Guo方法：定义5点和6点标量积分函数：并用表示消去传播子后得到的5点函数。9/3/202319(5)六点标量积分函数计算:Guo方法：定义5点和6点标定选择系数，使得：取：9/3/202320定选择系数，使得：8/3/202320得到：其中，为Gram行列式。Binoth的方法：其中：9/3/202321得到：Binoth的方法：其中：8/3/2023219/3/2023228/3/2023224.张量积分函数计算(1)Passarino-Veltman方法：

例如，对于3点2阶张量积分：N点p阶张量积分：利用下面的性质降阶：9/3/2023234.张量积分函数计算(1)Passarino-Veltma其中：三、四、五点张量积分函数推导中出现的Gram矩阵分别为：

将p阶的N点张量积分函数系数表示为低阶张量的N点和N-1,N-2,…的积分函数系数。降阶过程中会出现Gram矩阵求逆。递归地采用PV方法，解线性方程组，最终将张量积分函数系数表示为标量积分函数。9/3/202324其中：三、四、五点张量积分函数推导中出现的Gram矩阵分别为小结：该方法原则上适用于所有1，2，3，4，5点张量多点积分函数的计算。这种方法会出现Gram矩阵求逆，当Gram行列式值很小时会产生积分函数数值计算的不稳定性。四点以下（含四点）积分函数数值计算中Gram行列式值很小的区域仅仅出现在相空间的边缘附近（如前后向区，阈值附近）。5点积分函数数值计算中Gram行列式值很小的区域可能出现在相空间中间。9/3/202325小结：8/3/202325(2)Denner-Dittmaier方法:（hep-ph/0212259）9/3/202326(2)Denner-Dittmaier方法:（hep-矢量积分：2阶张量积分：9/3/202327矢量积分：2阶张量积分：8/3/2023273阶张量积分：9/3/2023283阶张量积分：8/3/202328该方法避免出现Gram矩阵求逆的计算。9/3/202329该方法避免出现Gram矩阵求逆的计算。8/3/2023295.

六点张量积分的计算（1）Guo方法：利用上式将6点张量积分化为5点同阶及低阶张量积分。得到的5点张量积由Denner-Dittmaier方法化为5点及更低点标量积分的计算。9/3/2023305.六点张量积分的计算（1）Guo方法：利用上式将6点张9/3/2023318/3/202331(2)Denner-Dittmaier方法：

(hep-ph/0509141)6点张量积分:9/3/202332(2)Denner-Dittmaier方法：(hep张量积分的系数为:9/3/202333张量积分的系数为:8/3/2023336.IR发散的分离（Nucl.Phys.B675(2003)447）

定义变量：一条无质量外线粒子连接两条无质量的内线传播子，设外线动量为类光四矢量：发散发生在此时传播子n的动量与外线的动量在共线位形上，因此这种发散称为共线发散。9/3/2023346.IR发散的分离（Nucl.Phys.B675(20两个在壳的粒子间交换一个无质量的粒子，此时发散发生在，传播子n的动量，因此这种发散称为软发散。9/3/202335两个在壳的粒子间交换一个无质量的粒子，8/3/202335圈积分中的红外发散的分离:为了得到维数正规化方案下的标量圈积分的表达式，将一个圈积分划分为有限部分和发散部分。其中有限部分的计算是与正规化方案无关，我们可以用标准的程序包FF在质量正规化方案下计算。而发散部分可以用相应的3点积分表示。

发散部分的计算：

其中对于共线发散：9/3/202336圈积分中的红外发散的分离:为了得到维数正规化方案下的标量圈积

对于软发散：例:五点图发散部分的计算9/3/202337对于软发散：8/3/202337

根据前面的公式计算出相应不为零的3点函数的系数：9/3/2023388/3/202338最后得到该五点函数的极点项表达式为：9