宇宙学和高能对撞机上若干新物理的唯象研究

摘要

标准模型(SM)，是描写强相互作用和电弱相互作用的SU(3)c()SU(2)L()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Weinberg和Salam(并DGlashow一起)赢得了1979年的诺贝尔物理学奖；其后的中间玻色子(W±和Z)在实验上被观测到又为Rubbia和Vander Meer带来了1984年的诺贝尔物理学奖；渐进自由则为David J.Gross，H.DavidPolitzer以及Frank Wilczek获取了2004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TeV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(hierarchy)问题等等，但是最为关键的问题是，负责弱电自发破缺的Higgs机制预言了至少有一个中性Higgs玻色子存在，而这个起关键作用的Higgs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：Technicolor(TC)理论，Little Higgs理论等等。Technicolor是一个没有Higgs粒子的理论，基本思想是：引入一种新的渐进自由的类似QCD的强相互作用和具有强相互作用的新费米子(TC费米子)。在一个高的能量标度，TC费米子发生凝聚，以此来代替标准模型中的Higgs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TC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(Walking TC)。而为了给顶夸克提供大的质量而没有大的ΔΓb和T修正，人们又提出了顶色辅助的人工色理论(TC2)。
　　 top—pion(П0，±)和top-Higgs(HTC)是TC2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TC2模型的直接验证。我们在工作中研究了这些特征粒子在ILC上单圈水平上的成对产生的过程，即e+e－→HTCП0和e+e-→+П+П[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fb的量级，同时这些过程都还有着相当明显的NLO修正。另外，我们还研究了gg→HTC在LHC的生成过程，结果表明和标准模型的类似过程gg→h相比较，前者的生成率要高得多；即使是和TC2模型中的另外一个中性标量粒子的生成过程gg→+∏0[3]相比较，gg→HTC的产生率也要高出一些。因此，这个产生道在即将运行的LHC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Littlest Higgs模型中，电中性的重光子AH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WIMP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Higgs的质量取300 GeV并在不考虑T宇称破缺的前提下只有两个比较窄的范围133

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第二章 Higgs粒子和高能对撞机简介

§2.1标准模型Higgs粒子简介

§2.2对撞机简介

§2.2.1 Tevatron简介

§2.2.2 LMC和LEP(LEP-Ⅱ)

§2.2.3 ILC简介

§2.3高能对撞机上Higgs粒子的产生和探测

§2.3.1 强子对撞机上Higgs粒子的产生和探测

§2.3.2 线性对撞机上Higgs粒子的产生和探测

第三章 动力学对称破缺：没有Higgs粒子的Higgs机制

§3.1经典的Technicolor

§3.2 扩展的Technicolor(ETC)

§3.3需要克服的障碍

§3.3.1 味道改变的中性流问题(FCNC)

§3.3.2 Technicolor和电弱精确测量

§3.4 非QCD类似的TC动力学：走动的TC(WTC)

§3.4.1 走动机制和味道改变的中性流

§3.4.2走动机制和S，T参数

§3.4.3走动机制和top夸克质量

§3.5 Topcolor和顶色辅助的TC(TC2)理论

§3.5.1 Topcolor简介

§3.5.2 顶色辅助的TC(TC2)模型

第四章 带有T宇称的Littlest Higgs模型下重光子的时间演化

§4.1暗物质简介

§4.2带有T宇称的Littlest Higgs模型的回顾

§4.3暗物质AH的时间演化

§4.4直接观察实验

§4.5结论

第五章 TC2模型下HTCП0和П+П-在ILC上的NLO修正

§5.1 理论公式

§5.1.1 e+e-→HTCП0过程的研究

§5.1.2 e+e-→П+П-过程的研究

§5.2数值结果

§5.3结论和展望

第六章 TC2模型下LHC上单个top-Higgs产生过程的研究

§6.1 理论公式

§6.2数值结果

§6.3结论和展望

第七章 总结与展望

附录

参考文献

致谢

个人简历