（理論物理專業(yè)論文）直線對撞機(jī)上lht模型下eeγγ→bs過程的研究.pdf

摘要 粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型( s m ) ，是描述基本粒子及其強(qiáng)相互作用和電弱相互作用的規(guī)范 理論，標(biāo)準(zhǔn)模型創(chuàng)建四十多年來已被大量的精確實(shí)驗(yàn)所檢驗(yàn)。但是它不能解釋電弱對稱 性破缺的來源，而且其標(biāo)量場部分存在平庸性、不自然性等問題。因此標(biāo)準(zhǔn)模型只是一 個(gè)低能有效理論，在高能區(qū)它將被一個(gè)更深刻、自洽的理論所替代。為此，人們進(jìn)行了 大量積極的、有意義的探索，提出了許多新理論，如超對稱( s u s y ) 理論、人工色 ( t e c h n i c o l o r ) 理論、小h i g g s 理論，其中，帶t 宇稱的最小h i g g s 模型( l h t ) 就是目前 人們十分關(guān)注的一種新物理模型。 尋找味改變中性流( f c n c ) 是未來的高能對撞機(jī)的重要任務(wù)之一。由于s m 中存 在g i m 機(jī)制，f c n c 在樹圖階是被禁止的；而在單圈階又被極度壓低。在一些超出s m 的新物理模型中，會存在一些新的昧改變耦合；這些昧改變耦合的存在會大大提高一些 味改變產(chǎn)生過程的截面。圍繞最小超對稱模型( m s s m ) 、雙h i g g s 模型( 2 h d m ) 、t c 2 模型和帶t 宇稱的l i a l eh i g g s 模型( l h t ) 等有許多關(guān)于味改變過程的研究。因此， 味改變過程在尋找新物理信號方面起著至關(guān)重要的作用。我們正是在國際直線對撞機(jī) ( i l c ) 上，圍繞l h t 模型，對味改變e + e 一( 7 7 ) 專b - 過程進(jìn)行了研究，以期為實(shí)驗(yàn)檢 驗(yàn)l h t 模型提供理論指導(dǎo)。 計(jì)劃中的i l c 質(zhì)心能量為山= 3 0 0 g e v 一1 5 t e v ，年積分亮度為5 0 0 歸；在i l c 上不但能實(shí)現(xiàn)p + e 一對撞，還能實(shí)現(xiàn)對撞。i l c 亮度高、背景干凈，是探測新物理信號 的理想場所。在工作部分，我們在i l c 上，l h t 模型下，對味改變過程e + e 一( ) 寸b - 開 展了研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，對大質(zhì)量鏡像夸克，這兩個(gè)過程在i l c 上均可被探測到。因 此，在i l c 上通過對e + e 一( ) 一6 - 過程的研究，能提供一個(gè)獨(dú)特的方法去研究l h t 模 型中味改變耦合的性質(zhì)，從而為實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)l h t 模型和區(qū)分其他新物理模型提供理論指 導(dǎo)。 關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)模型，l h t 模型，味改變過程，產(chǎn)生截面，國際直線對撞機(jī)( i l c ) a b s t r a c t t h es t a n d a r dm o d e l ( s m ) o fe l e m e n t a r yp a r t i c l ed e s c r i b i n gs t r o n ga n de l e c t r o w e a ki n t e r a c t i o n si sa g a u g et h e o r y t h es mh a sb e e ne x t e n s i v e l yt e s t e db yt h ep r e c i s ee x p e r i m e n t a ld a t ad u r i n gt h ep a s t4 0y e a r s ， b u tt h em e c h a n i s mo fe l e c t r o w e a ks y m m e t r yb r e a k i n g ( e w s b ) r e m a i n sa no p e nq u e s t i o na n dt h es c a l a r s e c t o rs u f f e r sf r o mt h ep r o b l e m so ft r i v i a l i t ya n du n n a t u r a l n e s s ，e t c t h u st h es mc a no n l yb ea l le f f e c t i v e f i e l dt h e o r yb e l o ws o m eh i g he n e r g ys c a l ea n di ts h o u l db er e p l a c e db yap r o f o u n da n dc o n s i s t e n tn e w t h e o r ya th i g h e re n e r g y s op e o p l eh a v ed o n em a n ya c t i v er e s e a r c h sa n dp u tf o r w a r ds o m en e wp h y s i c s m o d e l s f o re x a m p l e ，t h es u p e r s y m m e t r y ( s u s y ) t h e o r y , t e c h n i c o l o rm o d e l ，l i t t l eh i g g sm o d e l a m o n g t h e s en e wp h y s i c sm o d e l s ，l i t t l e s th i g g sm o d e lw i t ht - p a r i t y ( l h t ) i sn o wav e r yp r e v a i l s e a r c h i n gf o rf l a v o rc h a n g i n gn e u t r a lc u r r e n t s ( f c n c ) i so n eo fi m p o r t a n tt a s k sa tf u t u r eh i 曲e n e r g y c o l l i d e r s d u et ot h eg i mm e c h a n i s mi nt h es m ，f c n cp r o c e s si sf o r b i d d e na tt r e el e v e la n ds h a r p l y s u p p r e s s e da tl o o pl e v e l i nt h en e wp h y s i c sm o d e l sb e y o n dt h es m ，t h e r ee x i s ts o m en e wf l a v o r c h a n g i n g ( f c ) c o u p l i n g sa n dt h e s ef cc o u p l i n g sc a ns i g n i f i c a n t l ye n h a n c et h ec r o s ss e c t i o n so ft h ef c p r o d u c t i o np r o c e s s e s b a s e d o nt h em i n i m a l s u p e r s y m m e t r i cm o d e l ( m s s m ) ，t h eg e n e r a l t w o - h i g g s - d o u b l e tm o d e l ( 2 h d m ) ，t h et o p c o l o r - a s s i s t e dt e c h n i c o l o r ( t c 2 ) m o d e la n dt h el i t t l e s th i g g s m o d e lw i t htp a r i t y ( l h t ) e t c ，p e o p l eh a v ed o n em a n ys t u d i e sa b o u tt h ef cp r o c e s s e s t h e r e f o r e ，f c p r o c e s s e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ns e a r c h i n gf o rs i g n a lo fn e wp h y s i c sm o d e l s w ej u s ts t u d yt h ef c p r o c e s s e s ，e + e 一( ) 一b - ，i nt h el h tm o d e la t i n t e r n a t i o n a ll i n e a rc o l l i d e r s ( i l c ) s u c hs t u d yc a l l p r o v i d ev a l u a b l et h e o r e t i c a li n s t r u c t i o nt ot e s tl h tm o d e la te x p e r i m e n t s t h ei l cw i t ht h ec e n t e ro ft h em a s s ( c m ) e n e r g y i = 3 0 0 g ev 一1 5 t ev 鋤dt h ey e a r l y l u m i n o s i t y5 0 0y b h a sb e e np l a n n e d i ns u c hac o l l i d e r , i na d d i t i o nt oe + e c o l l i s i o n ，o n ec a na l s o r e a l i z ep h o t o n - p h o t o nc o l l i s i o n t h ei l cw i l lb ea l li d e a lm a c h i n et op r o b en e wp h y s i c sw i t hh i g h l u m i n o s i t ya n dc l e a nb a c k g r o u n d i no u rw o r k ，w es t u d yt h ef cp r o c e s s e se + e 一( ) 葉b - a tt h ei l ci n t h el h tm o d e l o u rs t u d ys h o w st h a tw i t hl a r g em a s s e so fm i r r o rq u a r k st h e s et w op r o c e s s e sa r ea c c e s s i b l e i i i a tt h ei l c s ot h ep r o c e s s e se + e 一( ) b a tt h ei l cc a l lp r o v i d e sau n i q u ew a yt os t u d yt h ep r o p e r t i e so f t h ef cc o u p l i n gi nt h el h tm o d e la n df u r t h e r m o r ep r o v i d e st h e o r e t i c a li n s t r u c t i o nt ot e s tl h tm o d e la n d d i s t i n g u i s hi tf r o mt h eo t h e rn e wp h y s i c sm o d e l s k e yw o r d s ：t h es t a n d a r dm o d e l ，t h el i t t l e s th i g g sm o d e lw i t htp a r i t y , f l a v o r - c h a n g i n gp r o c e s s e s ， p r o d u c t i o nc r o s s s e c t i o n ，t h ei n t e m a t i o n a ll i n e a rc o l l i d e r s ( i l c ) 獨(dú)創(chuàng)性聲明與關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已 經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得河南師范大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書 所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確 的說明并表示了謝意。 簽名：驊壘生牽 日期：型12 ：f ! 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解河南師范大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：有權(quán)保留并向國 家有關(guān)部i - 1 或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)河南師 范大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 簽名：辮生生! 導(dǎo)師簽名：盤日期：趣蛆厶 第一章前言 第一章前言 1 1 標(biāo)準(zhǔn)模型簡介及其存在的問題 二十世紀(jì)中期，人們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)世界存在著四種相互作用：引力相互作用、電磁相互 作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。至此，尋求自然界相互作用的統(tǒng)一成為人類認(rèn)識世界 的主題之一。從6 0 年代初，格拉肖( s l g l a s h o w ) 、溫伯格( s w e i n b e r g ) 和薩拉姆( a s a l a m ) 等眾多物理學(xué)家經(jīng)過近4 0 年的努力探索，才形成了今天的標(biāo)準(zhǔn)模型【1 1 。理論上，標(biāo)準(zhǔn)模 型是一個(gè)基于規(guī)范對稱群s u ( 3 ) co s u ( 2 ) 。o u ( 1 ) ，的量子場論。這個(gè)規(guī)范群包括強(qiáng)相互 作用對稱群s u ( 3 ) c ，電弱相互作用對稱群s u ( 2 ) o u ( 1 ) y 。而電磁相互作用對稱群 u ( 1 ) 刪是s u ( 2 ) 。o v ( 1 ) ，的一個(gè)子群?；谶@一點(diǎn)，電磁和弱相互作用是統(tǒng)一的。這一 理論是迄今為止公認(rèn)的最好的描述弱、電、強(qiáng)三種相互作用的理論。該理論自建立到現(xiàn) 在，已被大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)所證實(shí)，例如1 9 7 4 年規(guī)范玻色子、z 的發(fā)現(xiàn)【2 1 ，粲夸克 ( c h a r m ) 、底夸克( b o n o m ) 的確認(rèn)以及項(xiàng)夸克( t o p ) 被c d f 、d o 【3 1 實(shí)驗(yàn)組的發(fā)現(xiàn)；還有曾 在9 5 年引起物理學(xué)家普遍關(guān)注的吃 三r ( z 專6 萬) r ( z j h a d r o n s ) 】、 足【三r ( z c v ) r ( z 專h a d r o n s ) 問題的解決4 1 等等。這一切都表明，標(biāo)準(zhǔn)模型已取得了巨 大的成功。 雖然標(biāo)準(zhǔn)模型在許多方面已取得了巨大的成功，但該理論還存在許多不足之處。在 標(biāo)準(zhǔn)模型中為了使電弱對稱性自發(fā)破缺，引入了基本h i g g s 標(biāo)量場，但到目前為止還沒 有探測到它的存在。s m 存在的主要問題主要有以下幾個(gè)方面： 1 存在大量的自由參數(shù)，且起源不清。 標(biāo)準(zhǔn)模型中自由參數(shù)至少有1 9 個(gè)：規(guī)范群s u ( 3 ) c ，s u ( 2 ) 上，u ( 1 ) r 有三個(gè)耦合參數(shù)& 、 g 、g ，6 味夸克和3 個(gè)帶電輕子的質(zhì)量，c k m 矩陣中3 個(gè)混合角、1 個(gè)描述c 尸破壞 的相因子，h i g g s 勢能中有兩個(gè)參數(shù)，另外還有一個(gè)q c d 的真空相角。 2 平庸性問題【5 】 在s m 中引入了基本標(biāo)量場矽的自相互作用五矽4 ，其跑動耦合常數(shù)2 ( q 2 ) 滿足的群 重整化方程為： 直線對撞機(jī)上l h t 模型下礦p 一( ) 寸6 - 過程的研究 上式的解為： q 2 攀d t 硝刪) = 等：z 萬 縱q 2 產(chǎn)奄 1 一；以l n ( 1 2 ) 其中q 為某一參照能標(biāo)，人為正規(guī)化截?cái)嗄軜?biāo)，厶= 兄( a 2 ) 為正的有限常數(shù)。顯然，當(dāng) 人- - - ) o o 時(shí)，對于任意有限的能標(biāo)q ，2 ( q 2 ) - - o 。因而標(biāo)準(zhǔn)模型的h i g g s 部分實(shí)際上是自 由場理論，此相互作用具有平庸性。這就意味著標(biāo)準(zhǔn)模型并不是在任意能量標(biāo)度都適用 的理論【q2 ?！?，它只能是更基本理論的一種低能有效理論。 3 不自然性問題( 規(guī)范等級問題) 1 6 1 所謂規(guī)范等級問題，就是從電弱破缺的能標(biāo)到新物理能標(biāo)的過渡問題。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模 型要求的電弱破缺標(biāo)度比較嚴(yán)格，而且必須對h i g g s 粒子的質(zhì)量進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，使得它 的質(zhì)量能夠一直穩(wěn)定在幾百個(gè)g e v 附近，這就顯得理論不夠自然。因此，標(biāo)準(zhǔn)模型在高 能區(qū)必須被一個(gè)更深刻、自洽的理論所代替，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型只是一個(gè)低能有效的理論。 產(chǎn)生h i e r a r c h y 問題，是因?yàn)閔 i g g s 粒子的質(zhì)量在單圈階存在紫外平方發(fā)散。這些單圈 階的最大貢獻(xiàn)主要來自t o p 夸克、電弱規(guī)范玻色子和h i g g s 粒子的自相互作用，如圖1 1 所示。 ，一、 ? h i g g s 、j i i 、 ， 一一二二= 。一：t 圖卜1 標(biāo)準(zhǔn)模型中h i g g s 粒子質(zhì)量二次發(fā)散貢獻(xiàn)的主要采源費(fèi)曼圖 經(jīng)過計(jì)算，可得到h i g g s 質(zhì)量在單圈階的修正為： 萬坍2 彳人2 ( 1 3 ) 將其質(zhì)量重整化后可得到h i g g s 粒子物理質(zhì)量與裸質(zhì)量的關(guān)系為： 聊2 = b 人2 + 彳人2 ( 1 4 ) 若取人為普朗克標(biāo)度1 0 1 9 g e v ，而h i g g s 玻色子質(zhì)量為1 0 2 g e v 的量級，則此標(biāo)度比h i g g s 玻色子質(zhì)量大約要高1 7 個(gè)量級。這樣只有a ，b 精確調(diào)節(jié)到1 0 一，才能得到質(zhì)量為 1 0 2 g e 礦的h i g g s 玻色子。對于一種描述基本相互作用的理論，這很顯然是不自然的。 第一章前言 若要求爿，b 只調(diào)節(jié)到1 0 ，則要求 么+ b ：1 0 4 g 了e v ：1 0 2 ( 1 5 ) 人 可得到人= 1 t e v ，這就意味著在t e v 量級上要出現(xiàn)新物理。 4 s m 中的c 尸破缺的起源和機(jī)制仍不清楚。 5 s m 中中微子質(zhì)量為零是一種理論假定，實(shí)驗(yàn)上只能給出中微子質(zhì)量的上限并且很 小。那么如果中微予質(zhì)量不為零，什么原因和機(jī)制使中微子質(zhì)量比帶電輕子和夸克小得 多( 約為電子質(zhì)量的百萬分之一，為最重的t o p 夸克質(zhì)量的十萬億分之一) ? 6 實(shí)驗(yàn)上沒有觀察到自由夸克的存在，為什么夸克被“囚禁 起來。如何從量子色動 力學(xué)的漸近自由行為和非微擾性質(zhì)來理解? 7 s m 中電弱對稱性是自發(fā)破缺的，破缺的能量標(biāo)度在2 0 0 g e v 右，但實(shí)驗(yàn)上還沒有 探測到自發(fā)破缺機(jī)制中的h i g g s 粒子。那么h i g g s 粒子是否存在，它是基本粒子還是復(fù) 合粒子，它的質(zhì)量究竟多大，有沒有別的機(jī)制。這一系列問題都有待于我們繼續(xù)研究解 決。 由于s m 中還存在以上問題，新物理理論的提出是很有必要的。 1 2 幾種新物理模型 近年來高能物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)很成功的理論，但是由于上述的 一系列問題的存在，尤其是電弱對稱性破缺( e w s b ) 和不自然性問題，人們提出了一些 超出標(biāo)準(zhǔn)模型的理論，統(tǒng)稱新物理( n p ) ；其中，比較有代表性的理論有超對稱理論【7 1 、 人工色( t c ) 理論【引、額外維物型9 ，1 0 1 還有小h i g g s 理論【11 , 1 2 , 1 3 1 。超對稱理論保留了基 本的h i g g s 場，并引入了超對稱伙伴粒子；用對應(yīng)的超對稱伙伴的貢獻(xiàn)來消除相應(yīng)的自 能二次發(fā)散，從而克服了不自然性的間題。而t c 理論根本不引入基本h i g g s 標(biāo)量場， 而引入了一種新費(fèi)米子( t c 費(fèi)米子) ，用t c 費(fèi)米子凝聚 0 來代替標(biāo)準(zhǔn)模型中的 h i g g s 玻色子，使電弱對稱性s u ( 2 ) 。p u ( 1 ) ，動力學(xué)破缺到電磁對稱性u ( 1 ) 肼，從而解決 了基本標(biāo)量場理論中的不自然性和平庸性問題。 近年來，一類被稱作“小h i g g s 理論的e w s b 理論引起了人們的極大關(guān)注。小 h i g g s 理論沿用了以前人們的思想。認(rèn)為h i g g s 玻色子是由自發(fā)對稱性破缺而產(chǎn)生的贗 標(biāo)哥爾斯通玻色子【1 4 , 1 5 , 1 6 】。同時(shí)，該理論預(yù)言了一系列與s m 相應(yīng)粒子具有同樣自旋的 新粒子，這些新粒子抵消了s m 中相應(yīng)粒子對h i g g s 質(zhì)量所帶來的單圈二次發(fā)散。h i g g s 直線對撞機(jī)上l h t 模型下礦p 一( ) 寸6 _ 過程的研究 粒子通過一個(gè)近似整體對稱性保持輕的質(zhì)量，使單圈二次項(xiàng)對截?cái)鄻?biāo)度人。不再敏感。 在截?cái)嗄軜?biāo)附近，一般量子場論的標(biāo)量粒子質(zhì)量都存在輻射修正的二次發(fā)散。在小h i g g s 理論中二次發(fā)散的消除發(fā)生在具有同樣統(tǒng)計(jì)性的粒子之間，例如：通過引人新規(guī)范玻色 子來抵消s m 規(guī)范玻色子帶來的二次發(fā)散項(xiàng)。為了避免精細(xì)調(diào)節(jié)，小h i g g s 模型的能量 標(biāo)度必須小于幾個(gè)死y ，并且把h i g g s 玻色子的耦合確定下來。所有這些特性可能引起 顯著的實(shí)驗(yàn)信號，是未來粒子物理學(xué)研究的重點(diǎn)。該理論提出了一種從s m 的輻射修正 確定弱作用能標(biāo)的方法，可能成為t e v 標(biāo)度新物理的候選者，并能說明如何將其嵌入到 超過死y 標(biāo)度仍有效的全面理論中，可能解決s m 中因標(biāo)量h i g g s 玻色子而產(chǎn)生的問題。 最小h i g g s 模型( l h ) 【1 7 1 簡單地實(shí)現(xiàn)了小h i g g s 思想，是s m 的最小擴(kuò)充。l h 模型 始于s u ( 5 ) 整體對稱性，包含一個(gè)非線性仃模型。在人。標(biāo)度處，通過正比于標(biāo)度廠的 真空期望值破缺至它的子群s o ( 5 ) 。同時(shí)，規(guī)范對稱群破缺到它的對角子群 【s u ( 2 ) ou ( 1 ) 】2 破缺到它的對角子群【s u ( 2 ) u ( 1 ) 】，這個(gè)對角子群可以看作s m 中的電弱 規(guī)范群。 但在l h 模型中，有一個(gè)嚴(yán)格的電弱限制，即電弱物理標(biāo)度必須滿足廠2 - 3 t e v ， 最嚴(yán)重的限制是來自于附加的重規(guī)范玻色子的交換，小部分來自于真空附加三重態(tài)的標(biāo) 量場所產(chǎn)生的樹圖修正。為了解決這些問題，c h e n g 和l o w 建議擴(kuò)大對稱結(jié)構(gòu)理論，引 入了一個(gè)新的離散的對稱結(jié)構(gòu)，既t 宇稱。我們把這個(gè)模型叫做l h t 模型【1 引。l h t 模型 除了引入重的規(guī)范玻色子和重的t o p 夸克z 之外還要求引入重的t o p 夸克z 和與標(biāo)準(zhǔn) 模型中的費(fèi)米子相對應(yīng)的鏡像費(fèi)米子。重的t o p 夸克z 和鏡像費(fèi)米子在t 宇稱下是 t o d d 粒子，而且鏡像費(fèi)米子能夠被賦予很大的質(zhì)量；另外，為保持t 宇稱守恒，這 些t o d d 粒子必須成對出現(xiàn)，而標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子在t 宇稱下是t e v e n 粒子。準(zhǔn)確地 說t 宇稱禁止了重的規(guī)范玻色子和引入的三重態(tài)v e v 之間的相互作用對樹圖的貢獻(xiàn)，即 只有標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子對樹圖有貢獻(xiàn)，l h t 模型中的新粒子只在圈圖下才有貢獻(xiàn)，這大大 減弱了電弱精確測量對模型參數(shù)的限制，從而避免了精細(xì)調(diào)節(jié)。在l h t 模型下鏡像部分 最重要的成分是類c k m 幺正混合矩陣，這些混合矩陣的參數(shù)是由標(biāo)準(zhǔn)模型的費(fèi)米子和 鏡像費(fèi)米子之間味改變相互作用決定的。我們將會在第二章詳細(xì)的論述l h t 模型的結(jié)構(gòu) 和思想。 第一章前言 1 3 工作簡介 尋找味改變中性流( f c n c ) 是未來的高能對撞機(jī)的重要任務(wù)之一【1 9 1 。眾所周知，s m 不存在樹圖級f c n c ，雖然在單圈級下出現(xiàn)f c n c ，但是由于g i m 機(jī)制壓低，很難在 實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生可觀測的信號。因此，探測f c n c 是檢驗(yàn)和探究新物理的一種很好方法和手 段。在l h t 模型中，標(biāo)準(zhǔn)模型的費(fèi)米子與t o d d 的鏡像費(fèi)米子和規(guī)范玻色子之間可發(fā) 生新的味相互作用，其味改變相互作用是通過t o d d 的重的規(guī)范玻色子( a ，z ，) 或哥爾斯通玻色子切，緲o ，國+ ) 來完成的。在單圈階存在p + p 專6 了和7 7 專b - y 兩個(gè)味改變 過程，我們正是在l h t 模型下探究這兩個(gè)過程的信號能否被將來的i l c 上探測到。通 過研究發(fā)現(xiàn)隨鏡像夸克質(zhì)量的增加這兩個(gè)過程在i l c 上均有可能被探測到，特別是過程 一鼯。因此，在i l c 上對e + e 一( 7 7 ) - - 9 6 - 過程的研究可提供一個(gè)獨(dú)特的方法去研究 l h t 模型下昧改變耦合的性質(zhì)，從而為進(jìn)一步檢驗(yàn)l h t 模型和區(qū)分其他新物理模型提 供了很好的依據(jù)。 本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第二章對l h t 模型進(jìn)行了簡單綜述，并具體分析了l h t 模 型的結(jié)構(gòu)；第三章簡單介紹了國際高能直線對撞機(jī)( i l c ) 及l(fā) h t 模型唯象研究；第四章 是工作部分，主要研究了在l h t 模型下，e + e 一- - ) 6 f 和一蚵兩個(gè)味改變過程；第五 章是總結(jié)和展望。 第二章l i l t 模型介紹 第二章l h t 模型介紹 近年來，一種被稱作l i t c l eh i g g s 模型【1 1 , 1 2 , 1 3 1 的電弱對稱破缺理論被提了出來，并且 認(rèn)為是超越s m 理論的一個(gè)令人信服的理論。在這個(gè)模型下，h i g g s 的質(zhì)量可以在死y 能 區(qū)保持穩(wěn)定，h i g g s 粒子通過一個(gè)近似整體對稱性保持輕的質(zhì)量，在每個(gè)對稱性下h i g g s 粒子都是一個(gè)g o l d s t o n e 玻色子。只有在對稱性整體破缺的時(shí)候，h i g g s 才會獲得質(zhì)量， 這就避免了所有的h i g g s 質(zhì)量單圈二次發(fā)散。目前，已經(jīng)提出了很多種模型，其中具有 s u ( 5 ) s o ( 5 ) 對稱性的l i t t l e s th i g g s ( l i - i ) 模型【l 刀是l i a l eh i g g s 思想的最簡單實(shí)現(xiàn)，是 標(biāo)準(zhǔn)模型的最小擴(kuò)充。除標(biāo)準(zhǔn)模型粒子之外，l h 模型還預(yù)言有新的矢量玻色子、重的 t 夸克和重的標(biāo)量粒子三重態(tài)，這些新粒子會在樹圖階對電弱精確測量有明顯貢獻(xiàn)，因 此最初的l h 模型受到電弱精確測量的嚴(yán)格限制2 1 1 。主要表現(xiàn)在由于交換重的規(guī)范玻色 子引起的對電弱精確測量的樹圖修正和來自新的三重態(tài)標(biāo)量場不為零的真空期望值 ( v e v ) 所帶來的貢獻(xiàn)。為了解決上述問題，人們又在l h 模型中引入了一個(gè)稱作“t 宇 稱”的分離對稱性【1 8 】，類似超對稱模型中的r 宇稱，這種帶有“t 宇稱 的l h 模型簡 稱為l h t 模型。要保持t 宇稱守恒，l h t 模型要求為每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型費(fèi)米子引入對應(yīng) 的鏡像費(fèi)米子，鏡像費(fèi)米子可以有很大的質(zhì)量，且它們的t 宇稱是奇的，標(biāo)準(zhǔn)模型中的 所有粒子t 宇稱都是偶的。對所有的物理可觀測量，標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子都是作為外場， t 宇稱守恒禁止了任何來自重規(guī)范玻色子的樹圖貢獻(xiàn)，同時(shí)也消除了不為零的三重態(tài) ( v e v ) 所帶來的貢獻(xiàn)。所以，在l h t 模型中，對電弱精確測量的修正只在圈圖階產(chǎn)生。 這種來自圈圖的貢獻(xiàn)受到的實(shí)驗(yàn)限制要比樹圖的弱得多，而且精細(xì)調(diào)節(jié)也被避免【2 2 1 。下 面是詳細(xì)的模型結(jié)構(gòu)介紹。 2 1 規(guī)范和標(biāo)量部分 l h 模型【1 7 】是基于s u ( 5 ) 如( 5 ) 的非線性盯模型，通過一個(gè)f o ( r e v ) 階的真空期 望值( v e v ) 使整體對稱群s u ( 5 ) 自發(fā)破缺到s o ( 5 ) ，同時(shí)， s u ( 2 ) x u ( 1 ) 】2 規(guī)范群破缺 到對角子群s u ( 2 ) 。xu ( 1 ) y ，即s m 中的電弱規(guī)范群。真空按照s u ( 5 ) 張量變換 _ v 7 e v 變換，則非零的真空期望值為： 直線對撞機(jī)上l h t 模型下p + p 一( ) 一塘過程的研究 o 三( ) = ， 1 2 x 2 未破缺的s o ( 5 ) 生成元丁4 滿足： r o + ；o ( 于廠= 0 ， 而破缺的生成元x 。滿足 r 。一。) t = 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 因此，可以把對稱性破缺認(rèn)為是一個(gè)在丁。h 丁4 和x 4h x 4 下的z ，自同構(gòu)，這個(gè)自 同構(gòu)就是我們后面要討論的t 宇稱的基礎(chǔ)。 這個(gè)對稱破缺機(jī)制目前還不明確，因此，在人4 n f 范圍內(nèi)l h 模型只是一個(gè)有效 理論。每一個(gè)破缺生成元對應(yīng)一個(gè)g o l d s t o n e 粒子，從s u ( 5 ) s o ( 5 ) 的破缺，產(chǎn)生了1 4 個(gè)g o l d s t o n e 玻色子x 4 ，用一個(gè)兀矩陣來描述它。 n 矩陣的具體表達(dá)式如下： 兀= x 4 x 口= 一生2 一去一丟一，羞 一矽+ + 一，戔2 022 2 緲一國o 7 7 v + h + i z r o ；矽+ 一矽o + 尸 2 2 2 0 2 22 ，羞t v + h - i z c 。而一，丟半竽 矽 2 荔2 萬一了一意一萬 ；矽一 f 礦+ 礦 v + h - i z c o 礦擴(kuò) r 壓壓 2 壓2 麗 ( 2 4 ) 這里，h ：- i n + 互，p + h + i n 。) 2 ) r 是標(biāo)準(zhǔn)模型中的h i g g s 二重態(tài)，辦是通常所說的 h i g g s 場，1 ，= 2 4 6 g e v 是h i g g s 的真空期望值，萬+ ，萬。場是s u ( 2 ) xv ( 1 ) y u ( 1 x 。自發(fā) 對稱破缺所產(chǎn)生的g o l d s t o n e 玻色子，r , 國是當(dāng)陋u ( 2 ) u ( 1 ) 】2 規(guī)范群破缺到 s u ( 2 ) 上u o ) ，時(shí)被重的規(guī)范玻色子吃掉的附加的g o l d s t o n e 玻色子，是一個(gè)物理的三 重態(tài)標(biāo)量場，具體表達(dá)形式如下： 第二章l i l t 模型介紹 = 一z 箬 一i 礦+ p 壓 ( 2 5 ) 聊o = 瘍上 ( 2 6 ) m 是s m 模型中h i g g s 標(biāo)量的質(zhì)量。 = p 皿7 廠o e 仉7 ，三p 2 冊7 ，o 對于s u ( 5 ) 的規(guī)范子群【s u ( 2 ) u ( 1 ) 】。x s u ( 2 ) xu ( 1 ) ：具有生成元 gf=：蠶三三，】：=iiji幽踞c：；，：；，2，：，2， f ，o00 、1 弘l ：。0 刊墁= 去咖( 2 ，2 ，2 _ 3 ，- 3 ) 對應(yīng)有八個(gè)規(guī)范玻色子形l a u 鐘，噦，b f ( 口= 1 , 2 ，3 ) ?？紤]到z ：自同構(gòu)t 。ht 4 和 換句話說，t 宇稱的作用是交換兩個(gè)s u ( 2 ) x u ( 1 ) 的耦合常數(shù)。從定義結(jié)果來看，兩 個(gè)s u ( 2 ) xu o ) 耦合常數(shù)是相等的。 畔：堪， 。4 2 嘴= 警， 眈= 警 恥警 ( 丁一e v e n ) ( t o d d ) ( 2 8 ) + 一互 壙礦疆 f 一 一 直線對撞機(jī)上l h t 模型fe + e 一( ) 寸坷過程的研究 這里“l(fā) ”和“h ”分別代表輕和重，即“三”代表輕的規(guī)范玻色子( 與s m 中的規(guī)范 玻色子對應(yīng)) ，“h 代表重的規(guī)范玻色子( l h t 模型下引入的規(guī)范玻色子) 。 從第一步的對稱性破缺p u ( 2 ) u ( 1 ) 】2 寸s u ( 2 ) 。u 0 ) ，t - o d d 重的規(guī)范玻色子獲 得質(zhì)量。t - e v e n 規(guī)范玻色子的質(zhì)量只能通過第二步的對稱性破缺 s u ( 2 ) l u ( 1 ) ，哼u ( 1 ) 。產(chǎn)生。最后，我們給出到o ( 丟) 階的質(zhì)量本征態(tài)： ) 町= 警，孵= 警 z = c o s 昭一s i n 釓b l ， 4 = s i n 嘸一c o s g w b l ， 其中，是普通的弱混合角 z h = w h 3 十x h 7 v 2 b h ， 鏟嘞乒3 喁， ( 2 9 ) h 2 砥5 f g g 刁 ( 2 1 。) 上式中g(shù) ：和lg 分別是s m 中s u ( 2 ) 工和u ( 1 ) ，規(guī)范場與費(fèi)米子場的耦合常數(shù)。 從這些破缺，丁一。砝規(guī)范玻色子獲得質(zhì)量，其質(zhì)量在o ( 形z 階給出如下： m z = - m w = f g ( 號 ，m 如= 告( 號 曉 r e v p ”規(guī)范玻色子的質(zhì)量通過第二次對稱破缺產(chǎn)生，其質(zhì)量如下給出： m 睨= 詈( 一寺 ，= 盤( 一釅v 2 ，m 一眨- 2 ， t 宇稱確保了中性玻色子和帶電玻色子的質(zhì)量關(guān)系m 睨= m z 。c o s 釤在樹圖階仍然滿 足。 為了確保，緲，刁粒子在t 宇稱下是丁一o d d ，而s m 中的h i g g s 雙重態(tài)日是r p v p 刀 的，我們規(guī)定下面的t 宇稱關(guān)系： h 一一q 兀q ， 其中 q = 破口g ( 1 ，i ，一i ，i ，1 ( 2 1 3 ) 正如上面所提到的，是s u ( 2 ) ，對稱表象下的附加的三重態(tài)標(biāo)量場，其質(zhì)量為 第二章l i l t 模型介紹 一 所。：瘍f 一( 2 1 4 ) m 是s m 中的h i g g s 標(biāo)量場的質(zhì)量。 緲，彩o ，刁場是p u ( 2 ) u ( 1 ) l p u ( 2 ) xu ( 1 ) 】：破缺到它的對稱子群時(shí)相應(yīng)的 g o l d s t o n e 玻色子，它們分別被相應(yīng)的重的規(guī)范玻色子嶗，z ，a 吃掉了。 2 2 費(fèi)米子部分 在費(fèi)米子部分，l h t 模型引入了與s m 費(fèi)米子相對應(yīng)的鏡像費(fèi)米子【2 3 1 。t e v e n 費(fèi) 米子部分由s m 夸克、輕子和一個(gè)附加的重夸克t 組成。t o d d 費(fèi)米子部分由三代鏡 像夸克、輕子和一個(gè)附加的重夸克t 組成。我們的研究只涉及了鏡像夸克0 二，以) 部分。 阱u h阱3 眩 我們把費(fèi)米子對嵌k s u ( 5 ) 的不完備的表象中，并引入了右手的s o ( 5 ) 多重態(tài)甲r ： 一啦 ，心也卜= q 緲，= 一盯2 9 ，= 一盯2 ( o = 1 ，2 ) ， 艫一位 ( 2 1 7 ) 在t 宇稱下，這些場作如下變換： 甲lh 一o 甲2 ， 甲2h 一o ， 甲月卜- 爭一甲舟 ( 2 1 8 ) 因此，費(fèi)米子對在t 宇稱下的本征態(tài)為： t 一警， 警 ( 2 1 9 ) g 蹦是左手s m 的費(fèi)米子對( t - e v e n ) ；g 片是左手鏡像費(fèi)米子對( t - o d d ) 。右手鏡像 費(fèi)米子對由給出。 通過一個(gè)質(zhì)量項(xiàng)可以給出鏡像費(fèi)米子在0 ( 廠) 階的質(zhì)量： 一 。，= 一廠陬孝+ 墨。q f + q 卜j i ； ( 2 2 0 ) 這里，我們對代指標(biāo)f ，j = 1 , 2 ，3 進(jìn)行了求和，同時(shí)需要孝= e 刪，來保證三。，腫，具有s u ( 5 ) 不 聊芻= 厄玎一手 蘭歷所( 一旁 ， 聊三= 2 一f 暑m 肋， ( 2 2 1 ) 湯川( y u k a w a ) 耦合一般情況下依賴費(fèi)米子指標(biāo)f 。 朋”：，2m 以蘭聊l ，聊。芻2 聊d 芻三m 2 ，朋h 吾2 聊醇- - m n 3 ( 2 2 2 ) 附加的費(fèi)米子痧r ，通過引入的附加費(fèi)米子而獲得一個(gè)大的狄拉克質(zhì)量，關(guān)于這點(diǎn) 2 3 湯川( y u k a w a ) 耦合部分 為了消除來自于t o p 圈的h i g g s 質(zhì)量的平方發(fā)散，我們引入了一個(gè)新的重夸克工， 在t 宇稱下，它是丁一e v e n 的，而且是s u ( 2 ) 單態(tài)。引入t 宇稱以后，還需要一個(gè)t o d d 的伙伴，它在s u ( 2 ) 。s u ( 2 ) ：下是一個(gè)的單態(tài)。 t o p 部分的y u k a w a 耦合在文獻(xiàn)【2 5 2 6 1 中己經(jīng)給出了： 粵卸= 一去 弦艫砂隨洶p ( b 一匿。1 g l g 妣 一五( _ ，厶+ 弓，；尺) + h w ， ( 2 2 3 ) q 料鮫= 眩2 4 ， “r 3 的上標(biāo)代表第三代夸克，至= z o n e + q 。是在t 宇稱下的鏡像。 q lh - e o q ，f & h 一幺， “r 3h “r 3 ( 2 2 5 ) 第二章l h t 模型介紹 所以在t 宇稱下的本征態(tài)可以寫成： 仁百t ；：r - r 2 ，島= 警， ( 2 2 6 ) 因?yàn)?，：和f ：月在樹圖下不能和鏡像費(fèi)米子混合，我們用分別表示左手場和右手場的 旺) 和旺) 席簡單給出了它們的質(zhì)量本征態(tài) 旺) 。蘭f ：，伍) r 寶，：r ( 2 2 7 ) 然而，丁一e v e n 卡 _ 子的本征態(tài)能夠相互混合，以下我們給出t o p 夸克和它的重的伙 伴t 的質(zhì)量本征態(tài)： 吒= 氣( g 跗1 一屯，：，伍k = s l ( g 跏1 + c 。f ：， t r = c r 材；一s r f ：r ，伍k = s 月甜；+ c ：f ：月， ( 2 2 8 ) 這里0 刪) l 表示左手s m 夸克對的上夸克部分，上面的一些參數(shù)的表達(dá)式如下： 一井- + 糾 糾 魯， 鏟厄愕h 伽上 ， 其中： - + 鄉(xiāng)：；x l ( 三一x l ， c 2 2 9 ) d ：= 一吾+ 互1x 。2 + 2 x 。( 1 一x 工) ( 2 3 0 ) 這些混合導(dǎo)致了t o p 夸克耦合相對于s m 的修正。 以上所提到的t o p ，疋，互夸克的質(zhì)量形式如下： 驢撩愕( 一挎1h z ) ) 研l(wèi)2 - + 季( 三一x l o x 。) ， 喪 直線對撞機(jī)上l h t 模型fe + e i ) - 4 6 - 過程的研冗 ”等擊愕( 法h ) 他3 ， 由于其他的s m 夸克的湯川( y u k a w a ) 耦合小，所以沒有必要引入其它的附加的重 的伙伴子去消除它們對h i g g s 質(zhì)量的平方發(fā)散貢獻(xiàn)，現(xiàn)在我們簡單給出其它上型費(fèi)米子 粵妒= 一去五。廠i ( 磊) j ( ) p ( ) 砂一( 磊。) 辱) p ( 主) 。，u rn ( 2 3 2 ) z vz i - - 。 。 所：= 乞 一礦v 2 2 ) 眨3 3 ， z 棚= 轟島占班隨上( l ( ) 聲x 一阿。上仨l 仨l j k 川“ ( 2 3 4 ) 這里我們對f ，j = 1 ，2 和x ，y ，z = 3 ，4 ，5 進(jìn)行了求和，x 三( ，) 。1 h 是為了保證z 棚的規(guī)范不 變性而引入的。這里我們給出，甲：的形式： 腎腎日 旺3 5 ， 也就是說不需要插入仃2 。從湯川( y u k a w a ) 項(xiàng)我們可以給出下型夸克的質(zhì)量為： 聊i ：= 乃( 一釅v 2 ( f = 1 2 3 ) 眨3 6 ) 2 4 鏡像弱混合部分 正如文獻(xiàn)【2 3 ，2 7 1 中所詳細(xì)討論的，鏡像部分的重要組成部分之一是存在四個(gè)類c k m ， ， ( 2 3 7 ) 吃= ，= ( 2 3 8 ) 在k 。刷s 【2 8 1 矩陣中，m a j o r a n a 相位為零是因?yàn)闆]有引入右手中微子的m a j o r a n a 質(zhì)量項(xiàng)。 第二章l h t 模型介紹 鏡像混合矩陣、和，中的參數(shù)決定了s m 費(fèi)米子和t o d d 鏡像費(fèi)米子之 間的味破壞相互作用，這些相互作用是通過丁一d 耐重的規(guī)范玻色子，z 片，彳和 g o l d s t o n e 玻色子國2 ，國o ，r 來傳遞的。鏡像混合矩陣中的符號表示帶電荷的輕子費(fèi)米子 參1 3 n t 相互作用，相應(yīng)的費(fèi)曼規(guī)則參閱文獻(xiàn)【2 9 1 。 在我們分析的過程中引入了下面有用的物理型2 7 】： ) = 嘧噶，) = v ，刪* i b i d ，爵5 ) = 嗡嗡( f = 1 ，2 ，3 ) ( 2 3 9 ) 它們分別對應(yīng)k ，毋，召，衰變。 根據(jù)文獻(xiàn)即1 中的方法，我們用三個(gè)角醒，醴，靠和三個(gè)相碟，醴，醒對進(jìn)行參數(shù) 化，得到 ，l = l 0 【、0 o d ，2 3 一s 丟p 弼 0 、1 s 乏p 1 磋i c 乏j ， d 0 1 3 0 一s 品p 硝 c 乏5 是p 一磋0 一j l d 2 p 耀c 墨0 00l ( 2 4 0 ) 從上面的式子我們口 以得到f 面的表達(dá)式： f dc ，d ，d d p 一罐 s 囂p 叫碚1 p o = l s l d 2 f 2 d 3 p 。磋一c l d 2 j 2 d 3 5 l d 3 p 一晶) c i d 2 c 2 d 3 一s l d 2 5 2 d 3 j l d 3 p 一磋一晶) s 2 d 3 f i d 3 p 一硝i ( 2 41 ) 【s 墨s 2 d 3 e 。懈+ 磋) 一q d 2 f 2 d 3 s i d 3 p 碚 一c l d 2 5 2 d 3 p 磋一s l d 2 c 2 d 3 s d e 似一碾)c 2 d 3 c l d 3 j 正如c 腳矩陣?yán)锏幕旌辖遣室粯铀鼈兌继幱诘谝幌笙?，?dāng)0 醒，磋，礎(chǔ) z h 和p + p jv v - l - i 過程，能產(chǎn)生較清晰的h i g g s 事例，背景很小【3 3 j ，這樣 就可以精確測量h i g g s 粒子的質(zhì)量、自旋以及包括自相互作用在內(nèi)的耦合頂角。這些信 息可以通過一系列的產(chǎn)生截面及其角分布和h i g g s 粒子的衰變分支比得到。除了s m 預(yù) 言的h i g g s 粒子外，其它一些超出s m 的新物理，如超對稱、l i t t l eh i g g s 模型等，預(yù)言 了多個(gè)h i g g s 粒子，除中性h i g g s 粒子外，還有荷電h i g g s 粒子，i l c 還可以對它進(jìn)行 第三章i l c 簡介及l(fā) h t 模型唯象研究 全面的