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通过LHC上Top夸克极化来分析R_2cP_破缺相互作用.pdf

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独创性声明独创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得河南师范大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名缝』期迎』型签名么兰丛.日期盈型墨Z关于论文使用授权的说明本人完全了解河南师范大学有关保留、使用学位论文的规定,即有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权河南师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书签名越煎导师签 嗍埠墨孛f ,第一章引言第一章引言在过去的三十多年中,描述基本粒子之间的强、弱和电磁相互作用的粒子物理标准模型【】印1取得了巨大的成功,它是迄今为止公认的描述弱、电、强三种相互作用的最好的理论,是二十世纪物理学最伟大的成就之一,并且得到越来越精确的实验检验。1979年标准模型所预言的中性流过程的发现,1984年欧洲核子研究中心CERN所发现的∥2和z o规范矢量玻色子,1989年以来在LEP工作的四个实验组对所观测到的~107个zo衰变事例的分析结果等,在10寸水平上对标准模型进行了精确的检验【41。尤其是1995年美国费米实验室发现了标准模型所预言的Top夸克陋】的事实,更颦定了人们认为标准模型正确的信心。但是,标准模型本身仍存在着许多不足之处,其中的某些问题仍未得到根好地解决,比如无法解释粒子质量起源问题,无法解释三代夸克之间质量的巨大差别,尤其是它所预言的黑格斯粒子Higgs至今尚未发现【唧等等问题。概括来讲,标准模型最突出的理论问题可以归结为①耍包含普朗克能标M,一10”GeV下的引力效应,就必须对标准模型进行修改,蔚电弱标度坼和普朗克标度膨,的比值M,/M,-10 玎如此之小就成为一件不可思议的事情,这就是所谓的等级问题用。②在标准模型框架下,Higgs粒子的质量可以写为jlf;一M;点村,其中Mo为I-liggs粒子的裸质量,删÷“印A通常代表新物理所处标度为圈图对Higgs粒子质量的修正。如果认为标准模型为一直到大统一能标都适用的理论,则A~吖砌.,那么为了保证膨.为电弱标度的质量微扰的幺正性所要求的嘲,我们需要非常精细地调整M。的大小。从而引出了自然性问题。③在标准模型下,太统一理论的尝试是失败的。标准模型成功地将电、弱相互作用统一起来,但是它的粒子配置决定电、弱、强三种相互作用强度不能统一,而且它也没有将引力融入它的理论体系,这对于唯美的物理学家来说不能不算是一种缺憾。④当今宇宙观测发现宇宙是由强子、暗物质以及暗能量组成,它们占宇宙能量密度的百分比分别为4.4%、22%和73%I”,但是,在标准模型中我们找不到可以充当暗物质的粒子。第一章引言基于所有这些事实,目前人们普遍相信粒子物理的标准模型只是一种低能有效理论在更高的能标下,应该存在新的更基本的理论。考虑到上述问题,我们有必要对标准模型进行扩充,这样的理论尝试主要有①对物质场进行扩充。在标准模型中,物质场的配置是手放的,只要在不引入三角反常、不同现在电弱精确测量值矛盾并且具有很好的物理动机的前提下,原则上我们可以任意放置物质场。比如,为了容纳中微子有质量这一事实,在标准模型中放入右手中微子场,这是对GWS模型的最简单的扩充。②对Higgs部分进行扩充。由于电弱对称破缺机制的重要性,同时也由于我们这方面知识和信息的匮乏,对电弱对称破缺机制进行有意义的探讨一直是理论熟点。相应发展起来的模型也很多,从最简单的双Higgs二重态模型po,n1到比较复杂的动力学破缺模型如Technicolor模型【1q和TC2模型【t3,14等,近年来发展起来的little Higgs模型㈣也是一种解决电弱对称破缺问题的尝试。③对对称群的扩充。标准模型是彭加勒群不变的,而且为了纳入规范相互作用,它还具有局域的SU3。0SU2c ou1y对称性,对这种对称性进行不同的扩充,我们会得到不同的新物理模型,最著名的例子就是超对称模型【l“。它包括最小超对称标准模型[xT.ts】以及它的一些扩充,诸如最小超引力模型【1蜊、超X寸SOIO大统一模型川等。本文,我们介绍了如何去构造超对称模型,并将详细介绍最小超对称标准模型以及R宇称破缺的最小超对称标准模型。本文的主要内容就是通过1MC上Top夸克极化来研究R字称破缺相互作用,从而更严格地限制新物理模型中相关的参数范围。本文的结构为t第二章,简述了粒子物理的标准模型;第三章,介绍了超对称模型,重点介绍了萱,守恒MSSM及RPV MSSM,第四章是我们的工作部分,就是通过LHC上Top夸克极化来研究矗,破缺相互作用;在第五章,我们给出了总结和展望。2第二章标准模型简介第二章标准模型简介2.1简单回顾经典物理学理论是对19世纪大量事实和所发现的物理规律的总结.它成功地描述低速宏观物理现象。在20世纪初,随着一系列新的物理现象和规律的发现,物理理论经历了两次飞跃对微观物理现象的研究产生了量子论,进一步发展为量子力学;相对论是描述高速物理现象的正确理论。在相对论和量子力学两块基石上.人们建立和发展了现代物理学,并逐步成为研究物理学现象和规律的主导性理论。粒子物理学所研究的现象和规律,既要反映微观粒子的量子性,又要反映粒子高速运动的相对论性,同时还应体现粒子的产生、湮灭以及粒子之间相互转化过程。量子性和相对论性要求对粒子运动规律的描述应是量子力学和相对论基础之上的,而自由度数可变的特性又要求所描述的体系应具有无穷多自由度,即应以。场”理论为基础。因此,粒子物理学的理论基础是相对论性的量子场论,其基本思想可以概括为对应不同的粒子,应有不同的场粒子是相应场的量子或激发态;场的激发对应粒子的产生,场的退激发对应粒子的湮灭。在杨振宁等提出的规范场理论1221中,为了使描写粒子问相互作用的拉氏量在定域规范对称变换下具有不变性,必须引入辅助的规范场,用来解释粒子之间相互作用的来源。根据规范理论,自然界的所有基本相互作用都具有因果性,都是通过规范场来传递的,而不是所谓的超距作用;尽管各种场所属的表示可以不同,但所需的规范场却是统一的,各种场与规范场的耦台方式由定域规范不变性完全决定。从此,规范理论便成为描述粒子之间相互作用统一理论的基础。众所周知,自然界存在四种相互作用强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。人们认为自然界是如此的完美、和谐,这四种相互作用应可以统一起来进行描述。为此,人们进行了多方面的努力。到目前为止,虽然还没有获得最后的成功,但人们已经将引力以外的其它三种相互作用成功的统一于粒子物理标准模型的理论框架之中。理论上,标准模型是一个基于规范对称群SU3。os【,2£o矾Dr 2·1的量子场论。该规范群包括强相互作用对称群su3,,电弱相互作用对称群su2。固u1r·而电磁相互作用对称群£,1矾是su2。固u1,的一个子群,正是基于这一点,我们说电磁相互作用和弱相互作用是统一的。3第二章标准模型简介电弱统一理论是建立在规范群s,2。ou1,基础之上的规范理论,它将电磁作用和弱作用统一起来进行描述。1961年格拉肖Glashow首先提出SU2,固u1,电弱统一理论模型t1I1967年和1968年温伯格Weinberg【≈和萨拉姆DI将这个理论建立在杨一米尔斯Yang-Mins规范理论的基础之上,并引入黑格斯电弱对称性白发破缺机制嘲,使中间矢量玻色子获得质量,从而使该理论成为一个自治的,完整的理论;1971年和1972年,特霍夫特’t Hooft和维特曼Veltman【驯等人证明了这个理论是可以重整化的在将此理论推广到包括夸克和强子时,理论上遇到了如何保证奇异数改变△s·±1的弱中性流不出现的问题,1970年.格拉肖Glashow等人提出了GIM机制脚】.引进粲charm夸克,解决了夸克捏合问题,同时轻子和强子的r。三角图发散即阿德尔Adler反常正好抵消1973年,小林Kobayashi和益川Maskawa又将两代夸克的混合推广到了三代夸克的情形.给出了CKM混合矩阵I 26J。至此。SUC2。固u1,电弱统一模型建立起来了。自理论建立到现在三十多年来,它经受住了对它所进行的各种检验,它所包含的粒子除黑格斯粒子之外都已经被实验所发现,所预言的粒子的性质以及弱中性流的存在等也已被实验所证实,在单圈水平上理论与实验符合得很好。强相互作用理论是粒子物理学中长期试图解决的重要课题之一。几十年来,量子色动力学Quantum Chromodynamies或QCDtzn的发展使人4f3逐-步接受这样的看法;量子色动力学是描述强相互作用的理论最好的候选者。该理论是描述夸克和胶子侧的相互作用的可重整化的非阿贝尔的SU3。规范理论,它具有渐近自由的性质[2Sl,即夸克和胶子之间的耦合常数a,02随着动量转移的增加而对数型减少, 醐2卜%,‰告嗤一孙㈤“现%掰l“素 。因此。Qo具有两重性一方面在小距离下耦合常数变小,可用微扰论加以处理,并且得到了较好的实验验证。到目前为止,微扰QCD理论所作的理论预言都与实验定性的或半定性的符合。另一方面,在大距离下耦合常数变大,进入非微扰区域,微扰论失效。该部分是迄今为止人们理解最少的部分,因此人们不得不借助唯象模型。近几年来,格点规范理论[冽试图从第一性原理出发计算诸如强子衰变常数,形状因子等非微扰物理量,也获得了相当大的进展。第__二章标准模型简介现在,人们一般将sv2。o【,1,电弱统一模型和suo。量子色动力学QCD统称为粒子物理学的标准模型。它是迄今为止公认的描述弱、电、强三种相互作用的最好的理论.尽管标准模型取得了巨大的成功,但它仍有一些基本问题存在争议,尤其是质量的起源问题,在模型中,理论的规范不变性要求规范场和费米子场最初是没有质量的,为了使这些粒子获得质量,人们引进了黑格斯场,通过黑格斯机制使它们获得了质量。但理论所预言的黑格斯粒子至今尚未发现。因此,人们相信标准模型是在费米能标o-246Gen附近的有效理论,在较高的死y能标下应当存在更基本的新物理理论。2.2标准模型的基本粒子通常,基本粒子可分为轻子、重子、介子和光子四类。但是,从规范场论的观点来看,基本粒子应该分成新的三种类型;实粒子,规范粒子,Higgs粒子。1实粒子包括夸克和轻子,是自旋为s一{的费米子。轻子包括荷电的电子e。。Ⅳ一和r’‘轻子带一个单位的负电荷,以及相应的P一中徽子y,、卢一中微子y。和f。中徽子y,不带电。带电轻子既参与电磁作用.也参与弱作用;而中微子只参与弱作用.不参与强相互作用和电弱作用,它只有左手分量,相应的反中微子只有右手分量,并且在标准模型中认为它们的质量为零,因此需要引入轻子数工。,L。和t来区分三代轻子p‘,y。,p-,V。,O‘,v,之间的差异。夸克共有六种味道上夸克u,下夸克d,粲夸克c,奇异夸克s,顶夸克t和底夸克b.每种味道的夸克又有三种不同的颜色红R,黄Y和绿O。我们可以将颜色理解为夸克的状态参量,所有的强子都是由更基本的组员夸克构成的色单态。但是,自由的夸克至今实验上没有被发现,使得理论物理学家’相信“夸克禁闭”的存在。在标准模型中,三个电荷为Q-妄s的夸克u,c和t之3间是没有混合的;而三个电荷为口一妄P的夸克.其弱作用本征态d’,s’和∥具有确定J的规范交换性质与其质量本征态d,5和6是不同的,二者之间通过cl】埘弼矩阵相联系。规范粒子是传递相互作用的、自旋为s·1的矢量玻色子。光子是电磁相互作用的交换子;八个胶子传递夸克之间的强相互作用;三个弱玻色子矿。和z。是弱相互作用的传播子。光子无质量,不带电,无自相互作用;胶子也无质量,电中性且带有颜色量子数,它们不仅和夸克有作用,而且自身之间也有相互作用弱玻色于舻2和z o有质量而且也5第一章标准模型简介有自相互作用,Ⅳ。分别带有电荷O-±l,而zo不带电。Higgs粒子具有奇异的性质当它们以虚质量的面目出现时,破坏真空对称当把2.3标准模型的拉氏量2.3.1强相互作用理论的拉氏量QcD理论是描述夸克和胶予间的相互作用的可重整化的非阿贝尔的sv3。规范理夸克; 吼,i-L2,3; 胶子 g。,a-L2 ,8sv3。是所有的3x3幺正幺模矩阵的集合,其群元u,可记为其中,矿扛为八个群参数,生成元睾啦-L2,.,8是3x3的无迹厄米矩阵,九是盖尔-【i i0 o,如-;言0 0,。i虽0],九-瞳;0曲,‘lj。J’‘k。【;。J’。IjJ’ 九’【。J’。;;莒],九‘o;习,_。[i;0詈],九-击i;;,。,∞降钟‰等,悻,等1吨,等,打降钟扣1, ∞,第二章标准模型简介其中,,竹、d卿是suoc的结构常数·QCD的拉氏量为zⅧ·∑io雄口一m,Ⅺo一三瞄oF≯o。,2-6其中F0为胶子场强,形式为磁∞一a,0一a,彬∞毋,“‰0¨O. 2。7拉氏量L∞在如下的su3。规范变换下不变fqCOe““’等口∽J qq。..e““等D,q-O,2-8l∞一钟o一_1 a,d。∽,”%。M,,ol胶子动能项磁,≯中包含三胶于及四胶子的相互作用项,这是非阿贝尔群规范理论所特有的2.3.2弱电理论的拉氏量弱电统一理论是建立在规范群sv2。u1,基础之上的规范理论,它将弱作用和电磁作用统一起来进行描述。描述它的规范对称群为su2。u1,,而u1研则为其的一个子群,U1。C跗2。u1,,2-9这三个群对应三个中性流J,,J习Ⅳ,与流相应的荷满足Gell-MannNishijima关系Q-E鲁 2。10其中.Q为电荷,t是弱同位旋第三分量,l,为弱超荷·规范对称群so2。固【,0,的群元如下第二章标准模型简介sv现【,1yu妒·a州孑‘争ue’-州。日’≯Ysu2。。c,1ruexp-i百·詈一坩1;2-11弱电理论总的拉氏量,包括费米子的动能和相互作用项,规范玻色子的动能项及其自相互作用项,以及费米子与规范玻色子的相互作用项,一般记为工蹦-L,工F三册十工柳. 2-12费米子项为,中蛩研 2-13式中,口·y’D。是相应与规范对称群su2。u1,的协变导数,D,,-a,一fg亍·吃一培’÷口,,, 2-14其中亭,g’分别为对应于sv2£和£,1r的耦合常数。规范不变的电弱相互作用来源于两项。规范场的拉氏量为k·一;%甲一;%∥L。k,2-15式中矸巴,口。为场强张量,乡r--0。一∥。,--O Wig扩吖嘭, 2.16Bw-a HB,一a,B≯。 ’ 。而k和k分别为规范固定项和Faddeov-Popov项,这罩没有列出其具体形式。显然,质量项.1If;睨矿’,寺J;If;z,z”和m,君都不具有su2。【,1,定域规范不变性,它们都不可能存在于拉氏量中,因此,定域规范不变性要求规范粒子无质量,这个结论是普遍的。自发对称破缺和Higgs机制为解决这个理论与事实之间的矛盾提供了契机·总拉氏量中,工铘和‰分别是理论的对称性自发破缺和Yukawa耦合,它们给规范玻色子村,,M和费米子m,提供质量。若有一附加体系,即标量场中可以使弱电理论按如下方式破缺.第二章标准模型简介m-;,。,中-a,一喀害。,吒一喀’i1口,中, 2-·9%数∽ ㈣t,吼。Z砘n㈧’ 一i嘭一噬一;a,∥∞s一一,嘭;吼一也一÷a,a。. p2∞
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