高能对撞机上左右双希格斯模型的唯象研究

摘要

粒子物理学中描述强相互作用和电弱相互作用的标准模型(SM)自20世纪60年代末期建立以来，经历了大量实验的精确检验，是迄今描述微观粒子相互作用最成功的理论模型。然而SM自身仍存在的一些理论问题(如规范等级问题、无法解释中微子质量和暗物质等），人们普遍相信SM只是一个低能有效理论，在TeV能标附近应该有新物理存在。双Higgs机制是为了解决小的等级问题所提出的一种新理论，左右双Higgs(LRTH)模型是双Higgs机制在左右手模型中的具体实现。除了类SM的Higgs粒子，该模型也预言了重的类矢T夸克、重的规范玻色子、中性和带电的标量粒子等，它们会在高能对撞机上产生一些独特的信号。
　　随着欧洲核子中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)的成功运行，粒子物理学研究跨入了“TeV能标”的崭新时代。2012年7月，ATLAS和CMS实验组同时宣布在125 GeV附近发现了一个新的粒子，第一阶段运行(质心系能量为7 TeV和8TeV)的实验数据表明该粒子的性质和SM中Higgs粒子非常接近。然而，很多新物理模型也都预言了类SM的Higgs粒子的存在，所以从实验上精确测量Higgs粒子的性质对检验SM和区别不同的新物理模型非常重要。计划中的高能正负电子直线对撞机具有背景干净，高精度等优点，可以精确地检验强子对撞机发现的新物理现象。
　　本文正是基于正在运行的LHC实验和计划中的高能直线对撞机，在LRTH模型下开展了一些唯象研究工作:
　　(1)研究了LRTH模型中类标准模型Higgs玻色子的各种衰变道，重点研究了双光子道的信号强度，并根据LHC实验Higgs的相关数据进行整体拟合从而给出对参数空间的限制。由于退耦效应，五个道中Higgs玻色子的信号强度与SM的比值都小于1，Higgs数据的整体拟合结果基本排除了能量标度参数f的参数空间:f＜550 GeV。
　　(2)研究了轻的赝标粒子φ0的衰变和产生。特别是当它的质量小于类标准模型Higgs粒子质量一半时，新的衰变道h→φ0φ0将会打开，从而压低其它衰变道的分支比。所以，LHC上Higgs的数据会对该过程给予一定的限制。在此限制下，又研究了它在LHC和国际直线对撞机(ILC)上的唯象学。特别是在质心能量√s=250 GeV的ILC上，可以通过e+e-→Zh→Z（φ0φ0）→ Z(4b,2b2(T))过程来探测轻的φ0粒子的信号。
　　(3)研究了LHC，XENO100和大型地下氙(LUX)实验对LRTH模型中暗物质候选者(S)的限制，包括LHC上Higgs数据对不可见衰变的分支比Br（h→(SS)）的限制以及暗物质直接探测实验对参数空间{gh(ss)，m(s)｝的限制。结果表明，在2σ-的置信度水平上，类标准模型的Higgs衰变到轻的暗物质对的分支比应该小于20％;对同样大小的暗物质质量，LUX实验结果能给出对耦合参数gh(ss)更强的限制。
　　(4)研究了在高能直线对撞机上T夸克联合产生的一系列过程:e+e-→t(T)+T(t)，e+e-→T(T)，e+e-→t(T)h+T(t)h，e+e-→T(T)h，t(T)φ0+ T(t)φ0和T(T)φ0，给出各个过程的产生截面并做了简单的背景分析。
　　(5)研究了LRTH模型中的类SM的Higgs玻色子h在ILC上的三个重要产生过程:e+e-→Zh，e+e-→v(v)h和e+e-→t(t)h。计算了非极化状态下各个过程中Higgs粒子衰变到b(b)和gg的信号强度，并与未来ILC实验上预期的测量精度进行了对比。结果表明未来的ILC实验能给能标参数f很强的限制。以ILC-250(1000) GeV为例，在2σ的水平上f的值应该大于1150(1400) GeV。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第二章 标准模型及Higgs物理

2．1 标准模型简述

2．1．1 物质场和规范场部分

2．1．2 电弱对称性自发破缺和Higgs机制

2．1．3 Yukawa耦合和费米子质量

2．1．4 规范等级问题

2．2 高能对撞机和Higgs物理

2．2．1 LHC和正负电子直线对撞机简介

2．2．2 Higgs粒子的衰变

2．2．3 LHC上Higgs的产生

2．2．4 ILC上Higgs的产生

第三章 左右双希格斯模型综述

3．1 左右双希格斯模型的框架

3．1．1 标量场和规范玻色子

3．1．2 Yukawa相互作用

3．1．3 CW势和软对称破缺项

3．1．4 发散项的抵消

3．2 模型参数和特征粒子

第四章 LRTHM中类SM希格斯玻色子性质的研究

4．1 LRTHM中Higgs粒子信号强度的研究

4．1．1 Higgs粒子的产生和衰变

4．1．2 Higgs粒子的信号强度

4．2 Higgs数据的整体拟合

4．3 结论

第五章 LRTHM中轻的赝标玻色子?0性质的研究

5．1 ?0的质量和衰变

5．2 LHC上Higgs实验对h→?0?0的限制

5．2．1 LRTHM中双光子道信号强度的限制

5．2．2 整体拟合对Br(h→?0?0)的限制

5．3 轻?0的唯象学研究

5．4 小结

第六章 LHC，XENO100和LUX实验对LRTHM中暗物质的限制

6．1 LRTHM中暗物质的性质

6．2 数值结果和分析

6．2．1 LHC实验对Higgs不可见衰变的限制

6．2．2 暗物质直接探测实验的限制

6．3 小结

第七章 ILC和CLIC上T夸克产生和衰变的研究

7．1 T夸克的相关耦合及衰变的研究

7．2 数值结果与分析

7．2．1 T夸克的单个和成对产生过程的研究

7．2．2 T夸克与类SM的Higgs玻色子的协同产生过程

7．2．3 T夸克与?0玻色子的协同产生过程

7．3 小结

第八章 LRTHM中单个Higgs玻色子在ILC上产生的研究

8．1 研究背景

8．2 数值结果与讨论

8．2．1 初态极化下的产生截面

8．2．2 Higgs的信号强度

8．2．3 ILC上预期测量精度对参数空间的限制

8．3 小结

第九章 总结与展望

附录

参考文献

攻读博士学位期间的研究项目及研究成果

致谢