大型强子对撞机LHC上中微子质量产生机制的唯象学研究

摘要

粒子物理标准模型自建立以来已经被证明是非常成功的理论模型。然而，物质质量的起源仍是一个未知的基本问题，而且我们希望统一自然界中的各种基本作用力。标准模型中负责电弱对称破缺的轻Higgs导致了精细调节问题，而且它无法统一电弱和强作用，这都意味着标准模型只是一个不完全的低能有效理论，TeV能标下一定存在新的自由度可能在高能碰撞中出现。另一方面，来自中微子和暗物质的实验观测也强烈支持存在超出标准模型以外的新物理。特别的，太阳和大气中微子振荡实验揭示中微子具有非零质量并且彼此混合，这是目前证实存在最小标准模型以外新物理的第一个证据。这一发现启发人们投入大量努力来探索这一新物理的本质。在这方面的进展中，带有大标度轻子数破坏的所谓seesaw机制是最具吸引力和自然性的中微子质量产生机制。然而传统的seesaw精神在于存在一个非常高的能标∧～1014-15 GeV，意味着在将来的实验中无法检验这种机制预言的新物理态。
　　 欧洲核子中心(CERN)即将在2009年运行的大型强子对撞机LHC将把我们带入一个前所未有的高能量高亮度的新物理时代，并使我们有机会探测TeV能标下的新物理。因此研究LHC在探测TeV能标下中微子质量产生新物理机制方面的能力是非常紧迫的。我们在本文中调查了两个有着极强物理动机的中微子质量产生机制在TeV能标LHC上检验的可能性：
　　 1.Type II seesaw，这种机制在标准模型以外引入了一个Higgs三重态。我们系统研究了模型的参数空间。受中微子振荡实验指引，我们首先通过重新产生轻中微子质量和混合方式来建立允许的参数范围。然后我们预测了LHC上的相关信号。我们发现在乐观的参数空间，通过分辨带电Higgs玻色子轻子数破坏衰变过程的味道结构，可以区分中微子质量的正常级差，反常级差和类简并模式。我们强调单电荷Higgs玻色子衰变的关键角色。H±±H±的联合对产生对检验Higgs场的三重态性质是非常关键的。发现H+→ T+－V或H+→ e+-V将会是强有力的检验，因为它们不依赖于未知的Majorana相角。结合双电荷Higgs衰变，例如H++→e+μ+，e+T+，μ+T+，我们将可能提取出Majorana相角。我们仔细研究了上述所有方面，给出在LHC上检验这种有趣的中微子质量产生机制的所有可能性。
　　 2.一种基于SU(5)规范对称性的简单大统一理论，它预言了TeV能标轻子夸克态(leptoquark)的存在，这种标量物理态同时携带轻子和重子数。在这个理论中SU(5)对称性意味着leptoquark与物质场的耦合是与中微子质量矩阵相联系的。我们研究了中微子质量，混合参数和leptoquark衰变之间的关系。我们给出如何通过在具体leptoquark衰变道中发现相应轻子来区分中微子质量谱。相关的来自于轻子味道破坏，介子衰变和电弱精细数据的低能限制也被讨论。leptoquark在LHC上不同的产生机制和信号也被仔细研究。通过区分发现事例的轻子味道组成，我们可以进一步检验模型对中微子质量谱的预言。特别的，b味道的确认对区分中微子质量谱和提取反常级差下未知Majorana相角是非常有用的。虽然比率比较小，但leptoquark二重态的电弱联合产生对确定leptoquark量子数和区分中微子质量谱也是非常有用的。这种leptoquark在LHC上的发现可能在一个基本层面上检验有吸引力的中微子产生机制，并给出对一种大统一可能候选理论的理解。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

第二章 TypeⅡseesaw模型与其在LHC上的检验

2.1 标准模型

2.1.1 量子电动力学(QED)

2.1.2 Yang—Mills场：SU(2)对称性

2.1.3 未破缺的SU(2)L×U(1)γ模型

2.1.4 Higgs机制

2.1.5 夸克质量和混合

2.1.6 轻子质量

2.2 TypeⅡseesaw模型

2.2.1 TypeⅡseesaw模型的基本构成

2.2.2 模型中物理参数的限制

2.2.3 Higgs衰变的普遍特征

2.2.4 Higgs的轻子数破坏衰变过程和中微子性质

2.3 在LHC上检验产生中微子质量的TypeⅡseesaw机制

2.3.1 纯轻子过程

2.3.2 H++H——→e+e+e—т—,e+e+т—т—,e+т+e—т—,e+т+т—т—(l=e，μ)

2.3.3 规范玻色子过程

2.4 对检验TypeⅡseesaw机制的讨论

第三章 Leptoquark模型与其在LHC上的检验

3.1 轻Leptoquark和大统一模型

3.2 对模型物理参数的限制

3.2.1 中微子振荡实验的限制

3.2.2 稀有衰变的限制

3.2.3 其他限制

3.3 Leptoquark衰变和中微子质量

3.3.1 Leptoquark衰变的主要特征

3.3.2 Leptoquark衰变和中微子谱

3.3.3 Leptoquark衰变中Majorana相角的影响

3.3.4 Leptoquark的总衰变宽度

3.4 在LHC上寻找Leptoquark

3.4.1 Ψ1对产生

3.4.3 测量分支比并提取中微子质量模式

3.4.4 Ψ1单独产生

3.5 对检验leptoquark的讨论

第四章 总结和展望

4.1 总结

4.2 在LHC上检验更多新物理信号

参考文献

致谢

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果