超出标准模型新物理的对撞机唯象学

发布时间：2020-10-13 21:42

　　 希格斯玻色子的发现是粒子物理学研究自然界最基本相互作用的又一次成功。然而,也有一些反常实验结果显示标准模型并不是完整描述所有自然现象的终极理论。在精细检验标准模型的同时,我们也需要使用对撞机实验寻找超出标准模型新物理存在的证据。在本文中,我们研究新物理模型的对撞机唯象学和对应的寻找策略。我们首先研究在TeV能标上的中微子质量模型。在一类引入额外轻子的反跷跷板模型中,额外轻子衰变行为与标准模型W和Z玻色子非常相似。我们发现,在大型强子对撞机上产生的额外轻子对可能被错误重建为W玻色子对事例。探测轻子数破坏过程是检验中微子马约拉纳属性的重要途径。我们研究在未来电子-电子对撞机上测量反无中微子双贝塔衰变过程。我们针对不同测量道中的运动学性质设计重建方法与事例挑选条件,并发现反无中微子双贝塔衰变测量可以有效约束中微子混合参数。自相互作用暗物质是对天文学观测中星系小尺度结构问题的有力解释。我们研究在大型强子对撞机上利用暗物质束缚态寻找来验证暗物质自相互作用的存在。模型中暗物质通过交换暗光子形成束缚态,束缚态湮灭至一对长寿命暗光子并继续衰变回轻子的过程造成偏移轻子喷注信号。我们发现这种寻找方法能够探测宇宙学模拟中确定的参数区间,并提出一种联合束缚态测量与天文学观测确定自相互作用暗物质模型参数的方案。我们也研究新物理模型中标量粒子交换胶子形成的束缚态。我们发现标量顶夸克束缚态的湮灭信号会淹没在标准模型背景中。对于带有更高电荷新粒子形成的束缚态,湮灭产物可能贡献至强子对撞机上的双光子事例超出。但是新粒子与夸克的耦合形式受实验严格限制,在选取参数区间中仅至顶夸克加轻夸克的衰变未被排除。我们同时研究标量顶夸克衰变中的运动学。比较全矩阵元和运动学两种模拟方法的结果显示极化关联在级联衰变中起重要作用,并可能导致末态运动学效率显著增加或减小。在超对称粒子寻找中使用纯运动学模拟结果进行截面估计可能造成偏差。机器学习在喷注分类中的应用可以提升未来对撞机实验的事例挑选过程。我们训练一个全连接神经网络区分夸克和胶子喷注。网络不仅在区分高能量喷注时优于已有方法,而且可以适用于不同喷注能量区间。研究结果也验证了喷注观测量在分类问题中的优越性。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O572.2
【部分图文】：

Ｌ＋Ｌ－）截面，蓝色曲线代表ａ（即—?Ｌ±ＬＱ）截面。??为了研究事例被错误探测为灰－事例的几率，我们通过末态轻子对的运动??学性质对事例进行筛选。在图２－２中，我们展示通过Ｍａｄｇｒａｐｈ５程序［７４］模拟得到的ｐｐ—＞？??Ｌ＋Ｌ－，标准模型及三种过程中轻子衰变末态运动学分布。其中我??们将Ｌ粒子质量设置为１１５ＧｅＶ，Ｗ粒子质量设置为２５０ＧｅＶ。首先我们可以看到，来自??于Ｗ衰变的轻子横向动量分布（绿色曲线）呈现出明显的雅可比峰性质。－？?和标??准模型过程的轻子横向动量分布形状非常接近。但由于蓝色曲??线相比标准模型红色曲线更偏向于大横向动量方向。最后需要指出，来自于；??程的轻子性质非常接近ＰＰ－＞Ｌ＋Ｌ－的蓝色曲线，所以两者的运动学效率也非常接近。??使用ＡＴＬＡＳ实验组所采用的事例分析方法，我们在表２－１中得到Ｌ＋Ｌ－和灰＋Ｗ－两??种主要过程在事例挑选下的存活效率ｅ。我们要求所有事例包含两个满足ＡＴＬＡＳ实验组定??义的轻子孤立条件且电荷反号的轻子。除了横向动量丢失以外，我们还要求事例中横向??动量最大的轻子满足ｐ：ｒ＞?２５?ＧｅＶ，动量第二大的轻子满足ｐ：ｒ＞?２０?ＧｅＶ。轻子对不变质??量需要满足Ｍ？＞１５ＧｅＶ且｜Ｍ？?—?Ｍｚ｜＞１５ＧｅＶ

?ＵｆｎｉＶｆｌｉ）??图３－１通过马约拉纳中微子传递的反无中微子双贝塔衰变过程。??可以看出，图３－１中的过程为无中微子双贝塔衰变实验中寻找的弱相互作用过程的逆过??程，因此我们将其称为反无中微子双贝塔衰变过程［８０，?８１］。对比无中微子双贝塔衰变，其??具有如下特点：??１９??

中微子双贝塔衰变过程研究马约拉纳中微子的关键问题。??在不同能量的电子对撞机上通过反无中微子双贝塔衰变过程产生灰的截面如??图３－２所示。我们依然选取三代重马约拉纳中微子，并保证公式３－２关系成立。对于三种不??同的质心能量Ｖ＾，随着财２质量参数的变化，散射截面在Ｍ２?＝?＾时达到最大值。??对ｅ－ｅ－?一＞？?过程测量中可能遇到的标准模型背景在表３－１中列出。由于实际实??验测量中有限探测器分辨率的影响，研究中需要考虑背景过程可能包含多个电子，但未被??探测到的电子贡献至横向能量丢失的可能性。同时，在电子对撞机上的光子初态过程７７－＞??也需要被纳入分析。来自电子福射的等效光子初态由Ｗｅｉｚａｅｃｋｅｒ－Ｗｉｌｌｉａｍｓ近似公式??描述［８５］。在图３－３中，我们计算了标准模型背景过程截面对质心能量的依赖性。除了??ｅ－ｅ－?－＞?ＺＺｅ－ｅ－过程外所有背景的截面都在ｆｂ量级以上，使用运动学性质对信号背景事??例进行区分非常重要。值得注意的是，同样产生灰玻色子对的光子初态过程７７?—州＋Ｗ—??截面在１００?ｆｂ以上。在电子对撞机的唯象学研究中，光子初态过程的贡献往往不能简单忽??略。??２１??
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本文编号：2839733