高能對(duì)撞機(jī)上Higgs粒子伴隨產(chǎn)生的精確研究.pdf

1、一直以來(lái)，粒子物理學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言都能與高能物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的吻合，因此標(biāo)準(zhǔn)模型是迄今為止最成功的理論模型之一。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，通過(guò)Higgs機(jī)制的引入實(shí)現(xiàn)了電弱對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺，并賦予了基本粒子質(zhì)量以及預(yù)言了標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯(Higgs)粒子的存在。隨著2012年7月份歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)上的ATLAS和CMS兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組同時(shí)宣布找到了一個(gè)質(zhì)量在126 GeV附近的新的中性玻色子，粒子物理又向前邁出了巨大的一步。這個(gè)新的

2、玻色子后來(lái)被證實(shí)是Higgs粒子。對(duì)于這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的Higgs玻色子的粒子屬性更精確的測(cè)量還在進(jìn)行中。但是現(xiàn)有的數(shù)據(jù)均表明它很有可能就是標(biāo)準(zhǔn)模型的Higgs粒子。所以未來(lái)高能對(duì)撞機(jī)上一個(gè)重要的任務(wù)就是研究以及測(cè)量這個(gè)粒子的自然屬性，并最終確定它是否真是標(biāo)準(zhǔn)模型的Higgs玻色子。
　　強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上復(fù)雜且強(qiáng)大的強(qiáng)子背景使其在對(duì)粒子屬性的精確測(cè)量有一定的局限性。因此人們將對(duì)Higgs粒子屬性更高精度測(cè)量的希望寄托在正在籌建的國(guó)際直線對(duì)撞

3、機(jī)(ILC)上。ILC采用正負(fù)電子對(duì)撞模式，具有干凈的背景以及較高的測(cè)量精度。在Higgs粒子的自然屬性中，對(duì)其衰變寬度以及可能衰變道的衰變分支比的確定是極其重要的。H→γγ的衰變寬度對(duì)于模型具有極強(qiáng)的依賴(lài)性，任何理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差都有可能預(yù)示著標(biāo)準(zhǔn)模型以外新物理的存在。在本論文的第三章中，我們對(duì)在ILC上e+e-→Zγγ產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行了深入的研究。該過(guò)程是測(cè)量H→γγ衰變寬度時(shí)最嚴(yán)重且不可約的背景過(guò)程之一，同時(shí)它還可以用來(lái)研究規(guī)范玻色

4、子的耦合。在標(biāo)準(zhǔn)模型框架下，我們提供了ILC上雙光子伴隨Z玻色子產(chǎn)生過(guò)程完整的單圈階電弱(EW)修正，并給出了領(lǐng)頭階(LO)和次領(lǐng)頭階(NLO)電弱修正的總散射截面和末態(tài)產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)學(xué)分布。我們通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)NLO EW的相對(duì)修正對(duì)相空間具有很強(qiáng)的依賴(lài)。通過(guò)對(duì)信號(hào)過(guò)程e+e-→ZH→Zγγ以及背景過(guò)程e+e-→Zγγ的末態(tài)產(chǎn)物重要的運(yùn)動(dòng)學(xué)分布的研究和比較，我們發(fā)現(xiàn)如果對(duì)末態(tài)產(chǎn)物選取適當(dāng)?shù)南嗫臻g截?cái)?，那么背景過(guò)程的事例就能被明顯地減少。

5、>　　Higgs粒子與頂夸克的Yukawa耦合可以清晰地顯示出電弱對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺中可能的相互作用機(jī)制，一直以來(lái)都得到了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和理論物理學(xué)家極大的關(guān)注。高能強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上Higgs玻色子伴隨頂夸克對(duì)產(chǎn)生過(guò)程領(lǐng)頭階的截面直接正比于頂夸克的Yukawa耦合常數(shù)的平方，這就為頂夸克Yukawa耦合的直接測(cè)量和研究提供了獨(dú)一無(wú)二的途徑。在本論文的第四章，我們報(bào)告了在標(biāo)準(zhǔn)模型中對(duì)于pp→Ht(t)并伴隨頂夸克衰變的NLO QCD以及NLOEW修

6、正的計(jì)算。我們給出了在對(duì)撞能量為14 TeV的LHC甚至未來(lái)對(duì)撞能量分別為33和100 TeV的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)上總的散射截面。我們給出了pp→Ht(t)→HW+bW-(b)+X→Hl+l-b(b)v(v)+X過(guò)程的末態(tài)產(chǎn)物的一些運(yùn)動(dòng)學(xué)分布。我們發(fā)現(xiàn)在一些運(yùn)動(dòng)學(xué)區(qū)域中，NLO EW的相對(duì)修正與NLO QCD在數(shù)值上是差不多的。
　　本論文的創(chuàng)新之處主要有以下幾點(diǎn):
　　我們首次對(duì)ILC上雙光子伴隨Z玻色子產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)模型過(guò)程進(jìn)

7、行了完整的單圈電弱修正的計(jì)算，給出了該過(guò)程目前最精確的理論預(yù)言。這對(duì)測(cè)量H→γγ衰變道的寬度以及檢驗(yàn)規(guī)范粒子的耦合特性提供了精確的理論依據(jù)。
　　在對(duì)e+e-→Zγγ和pp→Ht(t)過(guò)程的精確研究中，圈積分會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的數(shù)值不穩(wěn)定的問(wèn)題。我們必須采用四精度的計(jì)算程序，但是會(huì)耗費(fèi)非常多的計(jì)算時(shí)間。為了處理數(shù)值不穩(wěn)定的問(wèn)題的同時(shí)又要提高數(shù)值計(jì)算的效率，我們?cè)诔绦蛏喜捎昧穗p精度和四精度聯(lián)合應(yīng)用的方法。
　　我們首次完成了列在Les

8、 Houches愿望單上關(guān)于對(duì)高能強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上Higgs粒子伴隨頂夸克對(duì)產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行深入研究的目標(biāo)，即給出強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上pp→Ht(t)→HW+bW-(b)+X→Hl+l-b(b)v(v)+X過(guò)程一直到NLOQCD和NLO EW的計(jì)算結(jié)果。這也是該過(guò)程目前最精確的理論預(yù)言。我們的研究為頂夸克的Yukawa耦合的測(cè)量提供了精確的理論依據(jù)。
　　我們解決了在對(duì)pp→Ht(t)過(guò)程的NLO EW修正的計(jì)算中復(fù)雜的紅外發(fā)散消除問(wèn)題，即會(huì)同時(shí)