高能对撞机上规范粒子产生中的额外维效应研究

摘要

粒子物理学标准模型已经取得了很大的成功，最后一个未被证实的标准模型粒子—Higgs粒子的寻找实验也有了突破性的进展，尽管如此，标准模型的理论本身还是有问题的，其中之一就是由Higgs粒子质量平方发散引起的规范等级差问题。目前为止，解决该问题的新物理模型有超对称模型、最小Higgs模型以及额外维模模型等。额外维模型允许在TeV能标附近出现量子引力的效应，因此额外维在高能对撞机上会产生丰富的现象学，主要的额外维模型有ADD额外维模型和RS额外维模型，ADD额外维模型也称大额外维模型(简称LED模型)。
　　 W+W-产生是LHC实验初期重点研究的对象之一，在ADD额外维模型中，我们研究了LHC上pp→W+W-→W±l(+)((-)vl)+X(l=e，μ)过程中的虚Kaluza-Klein引力子效应，并且考虑了NLO QCD修正。我们指出并改正了已有文献中的错误并且进行了更深入的讨论，在此基础上得到了更为可信的物理结果。我们发现:ADD Kaluza-Klein引力子的虚效应会抬高不变质量的微分分布，而且考虑W粒子衰变时给出的基本能标Ms的限制更强。因此，NLO QCD修正的pp→W+W-→W±l(+)((-)vl)+X过程可以作为LHC上精确检验ADD额外维信号的建议过程。
　　 三电弱规范粒子W+W-r/Z末态是高能对撞机LHC、ILC及CLIC未来重点研究的对象之一。在本论文中，我们分别研究了ADD额外维模型和RS额外维模型中的W+W-r/Z产生。研究结果表明:
　　 (1) ADD额外维信号在LHC上比在ILC上表现得更为显著，尤其是在高横动量、大的不变质量以及快度中心区域;
　　 (2) LHC上RS额外维信号的横动量及快度分布也与CLIC上的有明显不同;
　　 (3)在不变质量的分布中，RS Kaluza-Klein引力子表现为TeV量级的共振粒子，而ADD Kaluza-Klein引力子则没有此共振行为，这是由于ADD Kaluza-Klein引力子与RS Kaluza-Klein引力子质量谱的差异造成的。
　　 概括起来，本论文的创新之处体现在以下几个方面:
　　 在pp→W+W-→W±l(+)((-)vl)+X(l=e，μ)过程的ADD额外维效应研究中，我们考虑了NLO QCD的修正，并且改正了已有文献的结果，我们的研究结果表明:ADD Kaluza-Klein引力子的虚效应会抬高不变质量的微分分布，而且考虑W粒子衰变时给出的基本能标Ms的限制更强。
　　 ADD额外维信号和RS额外维信号都会显著地影响W+W-r/Z产生中的可观测量的行为，如横动量、快度及不变质量等，尤其是在不变质量的分布上，我们发现RS Kaluza-Klein引力子表现为TeV量级的共振粒子，ADD Kaluza-Klein引力子则没有此共振行为;
　　 在W+W-r/Z产生的额外维效应研究中，高能强子对撞机LHC与未来直线对撞机ILC及CLIC具有互补性的意义，相比之下，LHC比ILC更适合于研究W+W-r/Z产生中的ADD额外维信号，而在研究RS额外维信号方面，CLIC则比LHC更具优势。

目录

声明

摘要

第一章 标准模型及额外维模型

1．1 标准模型

1．1．1 相互作用的规范理论

1．1．2 电弱对称自发破缺

1．1．3 路径积分量子化

1．1．4 规范等级差问题

1．2 额外维的理论及实验检验

1．2．1 广义相对论与时空

1．2．2 ADD额外维模型

1．2．3 RS额外维模型

1．2．4 额外维的实验检验

第二章 强子对撞机上W+W-产生的NLO QCD精确研究

2．1 研究背景

2．1．1 大型强子对撞机LHC

2．1．2 三规范粒子耦合的实验检验

2．1．3 研究动机

2．2 LHC上W+W-产生的NLO QCD解析计算

2．2．1 ADD额外维模型中的QCD拉氏量密度

2．2．2 NLO QCD虚修正

2．2．3 NLO QCD实辐射修正

2．3 数值结果及讨论

2．3．1 数值结果分析

2．3．2 本章小结

第三章 高能对撞机上W+W-γ和W+W-Z产生中的额外维效应

3．1 研究背景

3．1．1 高能直线对撞机ILC和CLIC

3．1．2 四规范粒子耦合的实验检验

3．1．3 研究动机

3．2 LHC及ILC上W+W-γ／Z产生中的ADD额外维效应

3．2．1 ADD额外维模型中的费曼图

3．2．2 数值结果分析

3．3 LHC及CLIC上W+W-γ／Z产生中的RS额外维效应

3．3．1 RS额外维模型中的费曼图

3．3．2 数值结果分析

3．4 本章小结

第四章 总结

附录A 标准模型的可重整性证明

附录B ADD额外维模型的费曼规则

附录C RS额外维模型的费曼规则

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果