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Higgs耦合特性的现象学研究

作　者: 刘婧婧
导　师: 马文淦
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 粒子物理与原子核物理
关键词: 中国科学技术大学规范玻色子标准模型辐射修正博士学位论文费米子夸克新物理产生过程超对称
分类号: O572.23
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

1954年，杨振宁和米尔斯（R．L．Mills）提出了非阿贝尔规范场的理论，定域对称性就成为相互作用力和基本粒子结构的本源。1964年，Peter Higgs将凝聚态相变的观念，引进到场论形成真空相变和对称性自发破缺的概念，使得统一性和多样性得以结合，对称性原本相同的粒子，在对称性自发破缺以后，可以获得不同的质量，从而造就了今天千姿百态的世界。在这个基础之上，格拉肖（Sheldon Glashow）、温伯格（Steven Weinberg）和萨拉姆（Aldus Salam）用SU（2）×U（1）群的对称性和规范场，统一了弱相互作用和电磁相互作用，形成了由三代夸克和轻子，三种相互作用力的传播子，胶子、光子、W和Z粒子组成的标准模型。标准模型和实验符合得很好，遗憾的是引发对称性自发破缺性的Higgs玻色子可能质量太大，在目前的加速器实验中间，还没有观察到。标准模型虽然已经取得了巨大的成功，但是仍然存在诸多问题，其中之一就是Higgs玻色子质量的平方发散问题—等级差问题，目前构造标准模型以外新物理主要的动机就是解决电弱能标和普朗克能标之间的等级差问题和微调问题。Littlest Higgs模型通过引入一系列与标准模型规范玻色子具有相同的量子数的重规范玻色子，以及一个重的T夸克，以消除标准模型的规范玻色子圈和top夸克圈引起的Higgs粒子质量的平方发散。在LH模型中，Higgs机制仍然是一块不可或缺的基石，通过对Higgs三线性自耦合的测量，得以研究Higgs势并揭示对称性自发破缺和Higgs粒子质量产生机制的细节．由于top夸克的质量很重，寿命极短，往往来不及束缚成强子就已经发生衰变，因此对新物理十分敏感。由于top夸克优良的特性，使得FCNC耦合成为top夸克研究的重要领域。标准模型的各种扩展模型中预言的新粒子将出现在圈中因而对味道改变的过程产生重要贡献。任何与标准模型的观测结果相偏离的FCNC耦合毫无疑问将预示新物理的存在。超对称理论引入了扩展的时空对称性，由费米性和玻色性的伴随子之间的对称性来消除了Higgs粒子质量的平方发散。在Higgs玻色子的诸多耦合特性中，它与费米子的耦合强度是与费米子质量成比例的，top夸克是最重的费米子，因此，top夸克Yukawa耦合的测量应该是最容易的。最小超对称标准模型下e⁺e^→t（?）h⁰过程的研究为比较MSSM和SM的Yukawa耦合提供了一个很有效的途径。由于标准模型中并不存在带电的标量玻色子部分，因此，MSSM的带电Higgs玻色子扮演着非常重要的角色，实验上，它的发现就预示着标准模型以外新物理的存在。带电Higgs玻色子的一种很重要的产生机制就是单个产生，其中带电Higgs玻色子和带电规范玻色子W^?产生过程e⁺e^-→Φ⁰H^±W^?（Φ⁰=h⁰，H⁰，A⁰）是研究中性Higgs玻色子（h⁰，H⁰或A⁰），带电Higgs玻色子和规范玻色子（W^±）之间的相互作用的一个优秀的途径，同样也是研究带电Higgs玻色子特性的重要候选反映道。本论文的创新之处如下：●本论文首次详细地研究了Littlest Higgs模型的新物理对中性Higgs粒子对在大型强子对撞机上的产生过程pp→H⁰H⁰，以及top夸克的FCNC味道改变稀有衰变过程t→cH⁰的效应，为Higgs玻色子自相互作用的研究提供了重要的理论指导。同时自行独立推导Littlest Higgs模型部分顶点。●直线对撞机上t（?）h⁰的联合产生过程为Yukawa耦合强度的测量提供了很重要的手段，为比较不同模型下Yukawa耦合特性的差异，精确的理论计算十分必要。本文首次精确的地计算了最小超对称标准模型下e⁺e^-→t（?）h⁰过程的单圈阶电弱辐射修正，并分别在相空间积分和传播子上采用不同的Higgs粒子质量以保证计算的规范不变性。●带电的Higgs玻色子是标准模型中没有的，因此，带电Higgs粒子的发现就是新物理存在的最有力的证据，为确定带电Higgs粒子是否来自于MSSM，高阶辐射修正的研究就显得很有必要。我们首次精确计算了带电Higgs玻色子和带电规范玻色子W^?产生过程e⁺e^-→Φ⁰H^±W^?（Φ⁰=h⁰，H⁰，A⁰）完整的单圈阶电弱辐射修正。研究中处理了该过程树图阶带电Higgs玻色子的共振问题，同时，数值计算中考虑了目前国际上最流行的SPA参数分析方法。

全文目录

致谢  4-8
完成及发表论文目录  8-9
摘要  9-11
Abstract  11-14
第一章 Higgs机制及其重要地位  14-48
  §1.1 Higgs机制简介  14-17
  §1.2 标准模型的Higgs部分  17-25
    §1.2.1 SM的Higgs部分简介  17-19
    §1.2.2 标准模型Higgs玻色子质量  19-21
    §1.2.3 标准模型Higgs玻色子的衰变分支比  21-22
    §1.2.4 等级差问题  22-25
  §1.3 最小超对称标准模型的Higgs物理  25-34
    §1.3.1 双Higgs二重态模型  25-26
    §1.3.2 MSSM的Higgs部分  26-30
    §1.3.3 MSSM的Higgs玻色子同规范玻色子的相互作用  30-31
    §1.3.4 MSSM的Higgs玻色子同费米子的相互作用  31-33
    §1.3.5 MSSM下Higgs玻色子的衰变  33-34
  §1.4 Littlest Higgs模型  34-48
    §1.4.1 标量和规范玻色子部分  36-39
    §1.4.2 V_(CW):有效Higgs势和电弱对称性破缺  39-40
    §1.4.3 规范玻色子质量和相互作用(?)_Σ  40-42
    §1.4.4 Yukawa耦合(?)_Y  42-44
    §1.4.5 费米子动力学项(?)_F  44-48
第二章 Littlest Higgs模型下Higgs物理现象学研究  48-70
  §2.1 强子对撞机上中性Higgs粒子对的产生  48-61
    §2.1.1 标准模型下中性Higgs粒子对的产生  48-50
    §2.1.2 最小超对称标准模型下的Higgs粒子对产生  50-51
    §2.1.3 Littlest Higgs模型下pp→H~0H~0过程的计算  51-61
  §2.2 LH模型的新物理对FCNC稀有衰变t→cH~0的效应  61-70
    §2.2.1 Top夸克的味道改变稀有衰变  61-63
    §2.2.2 Littlest Higgs模型下t→cH~0过程的研究  63-70
第三章 Top夸克的Yukawa耦合特性的研究  70-90
  §3.1 直线对撞机简介  70
  §3.2 标准模型下e~+e~-→t(?)h~0的电弱和QCD修正  70-72
  §3.3 LH模型的新物理对e~+e~-→t(?)h~0过程的效应  72-73
  §3.4 最小超对称标准模型下e~+e~-→t(?)h~0过程的电弱辐射修正  73-90
    §3.4.1 圈图虚修正  73-79
    §3.4.2 实光子辐射过程  79-81
    §3.4.3 数值计算和讨论  81-89
    §3.4.4 小结  89-90
第四章 MSSM中带电Higgs玻色子和规范粒子的相互作用  90-106
  §4.1 直线对撞机上带电Higgs玻色子的产生  90-92
  §4.2 e~+e~-→XH~+W~-(X=h~0,H~0,A~0)过程及其电弱辐射修正  92-106
    §4.2.1 解析计算中过程的定义  92-93
    §4.2.2 带电Higgs玻色子共振问题的处理  93-95
    §4.2.3 实光子修正  95
    §4.2.4 SPA约定和方案  95-98
    §4.2.5 数值计算和讨论  98-104
    §4.2.6 小结  104-106
第五章总结  106-110
  Higgs自耦合:强子对撞机上中性Higgs玻色子对产生  106-107
  top夸克稀有FCNC衰变t→cH~0  107
  Higgs玻色子和top夸克的Yukawa耦合  107-108
  带电Higgs玻色子的规范藕合  108-110
附录A Littlest Higgs模型的费曼规则  110-114
  A.1 规范玻色子和标量粒子的耦合  110-111
  A.2 规范玻色子和费米子的相互作用  111
  A.3 Higgs玻色子自相互作用  111-112
  A.4 标量粒子和费米子的耦合  112-114
参考文献  114-122

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