高能强子对撞机上矢量玻色子伴随产生的精确研究

摘要

标准模型是迄今最为成功的粒子物理理论模型,特别是在2012年大型强子对撞机LHC上的ATLAS和CMS实验组共同宣布发现了质量约125GeV新的玻色子,迄今为止实验证据都表明其与标准模型中的“Higgs”性质相吻合,这意味着标准模型最后一个粒子也被发现。尽管如此标准模型仍被普遍认为是一个目前观测能区的有效理论,标准模型未能解释正反物质不对称和中微子震荡等问题,且其理论本身还存在精细调节等问题。为了检验标准模型和寻找新物理,关于Higgs性质和规范耦合特性等更加精确的研究尤为关键,而LHC上规范粒子及其伴随产生通常作为Higgs产生的重要背景和检验规范耦合性质的过程而广受关注。
　　本文系统研究了LHC上pp→ZZ+jet/γ过程的次领头阶(NLO)QCD和电弱(EW)辐射修正效应,并给出了总截面以及产生和衰变过程的运动学分布等数值结果。LHC上ZZ+jet/γ产生过程是Higgs产生的重要背景,同时也能够直接精确检验如ZZγ,ZZγγ等反常的三规范和四规范耦合顶点,因而有着重要的理论研究价值。计算结果表明NLO QCD修正在大幅度提高了LO截面同时也显著降低了截面关于能标的不确定度。相比于NLO QCD修正,NLO EW修正对于总截面的贡献小了约一个量级,但由于EW Sudakov效应其在高能区域有强烈的压低效应,因此在高能区尤其是TeV能标上忽略EW修正可能导致错误的分析结论。pp→ZZ+jet/γNLO计算中涉及到关于实辐射过程ZZ+jet+γ贡献划分即末态喷注光子分辨问题,系统的给出了夸克-光子碎裂函数和Frixione isolation两种方案合理定义红外安全的观测事例。对于红外发散的解析处理和数值计算,使用了两截断相空间分割(TCPSS)和双极点减除方案(Dipole subtraction),并验证了后者具有更好的数值稳定性。理论上直接off-shell产生到多体衰变末态的计算面临巨大的困难,本文在窄宽度近似(NWA)方法基础上采用了MADSPIN处理末态不稳定粒子衰变问题,以尽可能的恢复off-shell和自旋关联效应。
　　末态系统在诸如小pT区域和不变质量靠近对撞阈值区域,固定阶计算由于忽略了软胶子辐射造成的大对数项效应难以给出很好的理论预言。使用CSS方案下的重求和方法计算了标准模型和最小Higgs模型(LHM)下的pp→ZH产生截而,结果显示NLO+NLL重求和结果显著改善了ZH系统的小pT和不变质量分布以及能标不确定性,同时标准模型和最小Higgs模型之间的偏差在NLO+NLL精度上也有一定程度上的降低。
　　本论文的创新之处有如下几个方面:
　　本论文首次研究了大型强子对撞机上ZZ+jet/γ的NLO EW修正的影响,并结合QCD修正给出了该过程迄今最为精确的完整次领头阶理论预言。该过程作为研究Higgs产生过程的背景和规范粒子耦合特性的重要过程一直受到粒子物理理论和实验学家的关注,并位列2013和2015年Les Houches国际高能物理会议建议攻关项目。高标准的完成了会议目标,其中pp→ZZ+jet/γ从发表至今已被国外同行他引多次,且在刚刚公布的2017年Les Houches会议论文引用了我们的这两篇工作。
　　合理区分光子喷注事例是pp→ZZ+jet/γ过程NLO辐射修正计算中的理论难点之一,寻找合理的事例分辨方案直接关系到理论上红外安全的观测量定义问题。在发表的两篇工作中给出了夸克-光子碎裂函数和Frixione isolation两种解决方案考虑了光子不同产生机制的贡献,作为过程无关的解决方案可适用于其他末态伴随光子或喷注产生过程的辐射修正计算。
　　发现与NLO QCD计算相比,NLO EW相对于LO截面的修正呈现显著的运动学依赖性(在高能运动学区域其贡献非常可观),因此QCD和EW混合修正的大小需要合理的估算,本论文使用相加和相乘方案给出了混合修正量的变化区间。此外引用了MADSPIN程序包处理末态规范粒子衰变过程,其在NWA方法基础上尽可能保留了树图层次上的off-shell和自旋关联效应。
　　使用重求和方法研究了LHC上pp→ZH产生的截面,发现NLO+NLL重求和结果显著改善了该过程ZH小pT和不变质量的分布以及能标不确定性,并一定程度上降低了该过程的新物理效应。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第二章 标准模型基础

2．1 标准模型粒子谱

2．2 定域规范理论

2．3 电弱统一理论

2．4 量子色动力学

第三章 大型强子对撞机上的精确理论预言

3．1 量予场论微扰计算

3．2 散射截面微扰展开

3．3 次领头阶计算方法

3．3．1 单囤图张量约化

3．3．2 紫外发散和重整化

3．3．3 红外安全观测量的若干问题

第四章 大型强子对撞机上ZZ+jet／γ产生的精确研究

4．0．2 ZZ+jet／γ树图阶计算

4．0．3 虚修正计算

4．0．4 实辐射计算

4．0．5 数值结果和讨论

4．0．6 末态不稳定粒子衰变

第五章 LHC上ZH产生中重求和技术的应用

5．0．1 重求和理论简介

5．0．2 LHC上ZH产生的重求和计算

第六章 总结

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果