对撞机上的Higgs物理唯象研究

发布时间：2017-03-25 16:08

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【摘要】：Higgs场无论是在标准模型里还是新物理模型里都扮演着十分重要的角色,不仅可以通过Higgs机制为规范玻色子提供质量,也可以通过Yukawa耦合为物质费米子提供质量。虽然过去数十年里,大量实验和理论研究均表明标准模型在描述低能电弱物理方面是成功的,但其与目前LHC的Higgs数据依然存在的微小差别及其自身的缺陷都预示着仍然可能会有新物理存在。所以,在新物理框架内继续深入研究Higgs物理依然是当今粒子物理研究的前沿课题。本系列工作第一部分是关于γ-SUSY模型下的Higgs物理唯象学以及LHC上Higgs对产生过程研究。γ-SUSY模型是λ取值在1.0附近、tanβ取值通常小于10的次最小超对称模型(NMSSM),是一种相对来说更为自然的超对称理论。随着Higgs数据的持续更新,ATLAS和CMS两个实验组的结果日趋接近,存活事例的)(2相比以前工作整体上都有大幅下降,对理论自然性的讨论的重要作用日趋显现。本文首先扫描了γ-SUSY的参数空间,并要求所得存活事例满足各种理论和实验限制(包括ATLAS和CMS在2014年夏天更新的Higgs数据),然后研究Higgs玻色子的性质。关于γ-SUSY的研究表明：·关于最轻的标量Higgs玻色子(h1),即类标准模型Higgs(h),有如下结论：2014年的Higgs数据依然允许h中含有较多的单态成分,最高可达25%,同时非标准模型的二重态成分被限制在1%以下；对于h与光子γ、规范玻色子Z以及顶夸克的相互作用,计算归一化后的耦合系数Chγγ/SM、Chzz/SM和Ghtt/SM,它们偏离1的程度均被限制在15%以内(95%置信水平)。h的三线性自耦合强度相对于标准模型能够被抬高10倍以上；考虑理论自然性后,所允许的抬高幅度有所降低。·关于次轻的标量Higgs玻色子(万,2),有如下结论：理论的自然性要求并不倾向于mh2高至TeV量级。当mh2低于500GeV时,h2的组成成分基本接近于纯单态或者纯非标准模型二重态。对于单态成分为主的h2,质量可以最轻可达150GcV,但其与标准模型费米场的耦合非常弱,因此唯象研究意义不大。对于非标准模型二重态成分为主的h2,质量最轻可至200GeV；归一化后的耦合系数Ch2tt/SM|≥0.2,最高值比1略小；|cH2BB/SM|通常都比1大,最高值甚至可以到6。这说明当tanβ取值很小时,h2gg耦合可能会非常接近于标准模型的hgg耦合。h2不论是单态成分为主还是二重态成分为主,h2hh耦合都可能非常强,h2→hh可以成为h2的主要衰变方式。·对于LHC上的Higgs成对产生过程pp→hh截面,主要存在三种抬高机制：标量顶夸克的圈图修正,h2的共振效应(s-道)以及h的强自耦合效应。在这些机制的共同作用下,λ-SUSY模型里的Higgs对产生过程的截面相对于标准模型可以提高100倍以上。LHC再次运行之后,可能藉此效应来检验λ-SUSY模型。本系列工作第二部分关于在最小胀子模型(MDM)下的未来Higgs工厂(TLEP)上Zh联合产生过程研究。MDM是在标准模型基础上扩充一个单态标量dilaton场和一个类矢量顶夸克伴场。本文先将满足各种理论和实验限制的存活事例同LHC的Higgs数据进行比较。再针对1σ范围内的事例,计算其在Higgs工厂(s(1/2)=240GeV)上的Zh联合产生过程e+e-μZh的产生截面(包含圈图修正),以及h随之衰变到bb和γγ的产生信号。关于MDM的研究结果表明：·在重dilaton情况下,σ(e+e-μZh)相对标准模型预言值的偏离为-15%到85%,原因在于树图层次上hZZ耦合的改变以及Higgs自耦合作用引入的圈图修正贡献可能较大。Higgs工厂上的e+e-→Zh过程以及LHC((?)s=14TeV)上的pp→hh过程也能够限制MDM的参数空间。如果要求σ(e+e-→Zh)相对于标准模型预言值偏离不超过1%,且σ(pp→hh)目对于标准模型预言值偏离不超过50%,MDM模型的tanθs就被限制在-0.1tanθs0.3范围内,bb和γγ信号也将被分别限制在|Rbb|2%和|Rrr|7%范围内,Higgs自耦合也被限制在Chhh/SM4.0范围内。·在轻dilaton情况下,σ(e+e-→Zh)相对标准模型预言值偏离可达-7%,如果进一步要求其偏离不大于1%,则有0tanθs0.1以及-10%Rbb、Bγγ1%。·此外还讨论了MDM模型中t'粒子对Zh联合产生过程e+e-→Zh截面的圈图修正,并具体介绍了处理紫外发散的方法。结果显示一个较大的sinθL可以有效增强t'修正贡献。比如当sin θL=0.2时,t'修正相对于标准模型所预言截面的修正分别可以达到0.26%((Se+e)=250GeV)或2%((?)Se+e-=1000GeV)。因此,如果t'场真实存在,未来Higgs工厂可藉此效应来检验MDM模型的正确性。
【关键词】：λ-SUSY Higgs pp→hh MDM e~+e~-→
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O572.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 Higgs玻色子11-12
• 1.2 论文选题和结构12-17
• 1.2.1 选题动机12-16
• 1.2.2 论文结构16-17
• 第二章 标准模型及其扩展17-37
• 2.1 标准模型17-21
• 2.1.1 标准模型的拉氏量与Higgs机制17-20
• 2.1.2 寻找新物理20-21
• 2.2 NMSSM模型21-31
• 2.2.1 NMSSM模型的超势和软破缺项23-25
• 2.2.2 NMSSM模型的Higgs场25-29
• 2.2.3 NMSSM模型的超粒子场29-31
• 2.3 MDM模型31-36
• 2.3.1 MDM模型的拉氏量和Higgs场32-33
• 2.3.2 MDM模型的顶夸克及其伴场33-34
• 2.3.3 MDM模型的Higgs场及Dilaton场耦合34-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 λ-SUSY模型Higgs物理及pp→hh过程研究37-59
• 3.1 物理的Higgs场质量本征态37-39
• 3.2 实验限制及扫描策略39-41
• 3.3 理论自然性与Higgs数据对参数空间的限制41-43
• 3.4 最轻的标量Higgs玻色子43-47
• 3.4.1 h_1的构成成分44-45
• 3.4.2 h_1的耦合45-47
• 3.5 次轻的标量Higgs玻色子47-53
• 3.5.1 h_2的成分结构47-49
• 3.5.2 二重态成分为主的h_249-51
• 3.5.3 单态成分为主的h_251-53
• 3.6 Higgs对产生过程pp→hh53-57
• 3.6.1 标准模型Higgs对产生模式53-55
• 3.6.2 超对称模型Higgs对产生抬高机制55-57
• 3.7 本章小结57-59
• 第四章 MDM模型e~+e~-→Zh过程研究59-77
• 4.1 实验限制及扫描策略59-60
• 4.2 Zh联合产生过程e~+e~-→Zh60-63
• 4.2.1 Zh联合产生过程的圈图修正61-62
• 4.2.2 新物理对σ(e~+e~-→Zh)贡献62-63
• 4.3 重Dilaton唯象63-67
• 4.3.1 重Dilaton模型参数空间63-66
• 4.3.2 重Dilaton模型的bb和γγ信号66-67
• 4.4 轻Dilaton唯象67-70
• 4.4.1 轻Dilaton模型参数空间67-69
• 4.4.2 轻Dilaton模型的bb和γγ信号69-70
• 4.5 顶夸克及其伴场的修正贡献70-75
• 4.5.1 ZZh顶角修正70-72
• 4.5.2 处理紫外发散72-73
• 4.5.3 修正贡献73-75
• 4.6 本章小结75-77
• 第五章 总结与展望77-81
• 附录A △_z、△_h以及χ~2计算方法81-93
• A.1 精细调节：△_z、△_h计算81-90
• A.1.1 △_z计算81-86
• A.1.2 △_h计算86-90
• A.2 Higgs数据：χ~2计算90-93
• 附录B 常用的圈图函数93-95
• B.1 标准函数93
• B.2 基本函数93
• B.3 递推关系93-95
• 附录C MDM圈图修正涉及的耦合系数以及E_i和F_i函数95-99
• C.1 耦合系数95-96
• C.2 E_i和F_i函数96-99
• 参考文献99-109
• 致谢109-111
• 攻读学位期间完成的论文111-113

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