（理论物理专业论文）重轻子在lhc上的产生.pdf

学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加 以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的 研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者躲圣孟纽 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本文授权辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 并进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名： 指导教师签名：娥 期：艚年厶月姊沙卜f v 7 重轻子在l h c 上的产生 摘要 内容摘要： 粒子物理学的标准模型( 鼬o 是基于规范群s v ( 3 ) c s v ( 2 ) l u ( 1 ) y 的规范不变性和 h i g g s 机制建立起来的规范不变性已经被实验所证实，但是在实验上至今还没有发现对 称性自发破缺所必须的自旋为零的h i g g s 粒子，所以h i g g s 机制还处在假设阶段s m 描 述了弱、电、强相互作用，并很好的解释和描述了基本粒子的性质和它们之间的相互作 用s m 包含三代轻子，z = e ，以r 及其相应的中微子s m 中的中微子是严格无质量的 但是太阳中微子实验和大气中微子实验显示中微子是有质量的，不同味中微子之间发生 振荡，这就表明了s m 具有局限性另外s m 中还存在着很多的问题；如自由参数较多、 不自然性问题、平庸性问题等等因此我们有理由怀疑s m 是不完善的，这就需要引入 新的理论模型，或者对s m 进行扩展利用8 e e $ f t t l 3 机制扩展s m ，可以很好的解决中微 子质量问题，同时预言了质量较重的轻子存在( 重轻子) 重轻子的存在也不是偶然的， 许多超出s m 模型的新物理模型也预言了重轻子的存在例如：最小走动人工色模型、 3 - 3 1 模型和小h i g g s 模型等等都有人详细的讨论过重轻子问题但是在具有? 宇称的最 小h i g g s ( l h t ) 模型下重轻子在c e r n 的大型强子对撞机( l h c ) 上的产生还没有人详细 的研究过本文主要介绍了l h t 模型和t - o d d 重轻子的产生在l h t 模型基础上，我们 详细的讨论了在l h c 上，重轻子的所有可能产生过程g g _ z 刍z 吾，g - _ z 刍z 吾， _ z 刍z 吾和 y y _ ：刍f 吾( v - - w 或刃，计算了这些过程的产生截面并给出了简单的现象学分析我们 发现这些过程大部分产生截面都比较小，只有d r e l l - y a n 过程丽一z 刍z i 的产生截面稍大一 些，我们取合理的参数其可达到2 7 0f b 如果l h c 积分亮度为z 似= 1 0 0f b ，质心能量 何= 1 4t e v ，那么每年将有几万个z 吉：吾事例数产生这表明将来在l h c 上可能产生的物 理信号，能够有助于检验l h t 模型，并且区分不同的新物理模型 关键词：重轻子，8 e e s g w 机制，中微子，新物理模型 重轻子在厶日d 上的产生 a b s t r a c t c o n t e n t ： t h es t a n d a r dm o d c l ( s oi sb a s e do nt h eg a u g es y m m e t r i e ss t r ( 3 ) c s v ( 2 ) l u ( 1 ) ya n di - i i g g sm e e h - a n i s m a l t h o u g hi th a sb e e np r o v e db ys o l t l l t ，e x p e r i m e n t s ，w el a l l v t ，n o tf i n dt h ei - i i g g sb o s o nw l a i d aa m s ct h e s y m m e t r yb r e a ks p o n t a n e o u s l y s md e s e n b e ss t r o n g ，w e a ka n de l e e l r o m a g n e t i ei n t e r a c t i o n s ，v i at h ee x c h a n g eo f t h ec o r r e s p o n d i n gs p i n - 1g a u g ef i e l d s ：8m a s s l e s sg l u o , sa n d1m a s s l e s sp h o t o nf o rt h es l r o n ga n de l e e m m a a g n e t i e i n t e r - a e t i o m ，r e s r , e e t i v d y , a n d3m a s s i v eb o s o m ，w a n dz ，f o rt h ew e a ki n t 黜- - f i o n s mp r e d i c tt h en e u l r i n oi s m a s s l e s s ，b u ts o l a ra n da m a o s p h m ed a t ad i r o e t l ys h o wt h a tt h en o u t r i n oh a sm a s sa n dt h e r ea 托o s c i l l a t i o nw i t h i n t h ed i f f c r o n tg e n e r a t i o n s s os mi sn o t1 , c r f - 鳅a n di ta l s oh a v eo t h e rp r o b l e m s ，s u e l aa st o o m a n yf r e ep a r a m e t e r s , n i v i a l i t y , a n dl m n a t u r a l n e l t s ，e t c s op e o p l ep r o p o s e ds o m el l c wp h y s i c st os o l o v et h es mp r o b l e m s t h e 默圮s 删 m e e h a n i mc a n o x p l a i nt h en c u l r i n o1 3 1 1 a s sp r o b l e m , a tt h es l u l i ct i m ep r e d i c tah e a v yl e p t o n sa 【i s 钯n m a n yn c w p h y s i c sm o d e l sh a v eb e e nd i s e m s e dt h eh e a v yl e p t o np r o b l e m , s u c h 器t e e l a n i e o l o rm o d e l , 3 - 3 lm o d e la n dl i t t l e i t i g g sm o d e l b u tw i t h i nt h el h tm o d e lt h e r ei sn o0 1 1 1 ，s t i l d yt h i sw o r k o u rw o r k i sb a s e do nt h et - o d dh e a v y l e p t o np r o d u c e dw i t h i nt h el h tm o d e l t - o d dh e a v yl e p t o n 啪b ep r o d u c e dv i at h es u b r , r o e e s s c s9 9 _ t + t ；1 ， 口虿一z 刍晤，y ，y - z + 1 7 tw a dy y z 刍晤w = wo r 刃a t t h el h c w ee a l a e u l a t et h ec r o s s c 胁璐o ft h e s e p r o c e s s e sa n dg i v es o m ed i s c u s s i o n w ef o u n dt h a tt h ec r o s ss e c t i o na r ca l ls m a l l ，o n l yt h ed r e l l - y a np r o c e s s g _ _ 墙皤c r o s ss e c t i o ni sb i g g e rt h a no t h e rp r o c l ：s s e s ，w h i c hc 孤r e a c h2 7 0 f b i f t h el h cy e a rl u m i n o s i t y z 饥t = 1 0 0 ，6 1 ，、石= 1 4t e v ，t h e n t h e r ew i l lb et h o u s a n d so fl 刍z 吾e v e n t sp r o d u c e da tl h ce x p e r i m e n t e v e r yy e a r a n dt h i si si m p o r t a n tf o rt h el h ce x p e r i m e n t t e s to f t h el i t t l eh i g g st h e o r ya n dl h tm o d e l k e y w o r d s ：h e a v yl e p t o n , $ e l 。s a wm e e l a a l a i s m , n e u t r i n o ，n e wp h y s i c sm o d e l 2 第 第 目录 引言 中微子理论概述及其实验现状 重轻子概述 工作简介 s e e s a w 机制 s e e s a w 机制的基本思想 s e e s a wh i 机制 包含s e e s a t gm 机制的新物理模型预言的重轻子 第三章最小走动人工色( m w t ) 模型预言的重轻子 3 1m w t 模型的基本思想 1 3 2m w t 模型预言的重轻子 3 3l h c 上重轻子现象学的研究 第四章l h t 模型综述 1 4 1 小h i g g s 模型的基本思想 4 2l h 模型 4 2 1 l h 模型基本内容 4 2 2l h 模型与中微子质量 4 3l h t 模型。 4 3 1 标量 4 3 2 规范玻色子 1 4 3 3t - o d d 轻子 第五章l h t 模型预言的t - o d d 荷电轻子对在l h c 上的产生 5 1t - o d d 荷电轻子对在l h c 上的产生过程 5 1 1 动机 5 1 2 胶子熔合过程 5 1 3d r e l l - y a u 过程 5 1 4 熔合过程 5 1 5 矢量玻色子熔合过程， 5 2t - o d d 轻子的衰变 5 3 数值结果与讨论， 第六章结论 3 l l 5 7 8 8 9 1 4 4 7 7 2 2 3 3 5 6 7 8 9 3 3 3 4 6 7 8 1 2 4 l 1 l 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 a 3 3 多 3 3 3 4 4 4 章j 2 3 章j 2 3 一姐耵驵 = 弘弘弘 重轻子在l 日c 上的产生 附录一研究生期间所做的工作 参考文献 附录三致谢 4 4 6 4 7 5 2 第一章引言 1 1 中微子理论概述及其实验现状 众所周知，电子是当前构成物质的基本粒子之一电子中微子的历史要追溯到1 9 3 1 年，w p a u l i 第一次提出用来解释在原子核的p 衰变中能量和角动量守恒问题，并在1 9 5 9 年由r e i n e s 和c o w a n 发现电子和电子中微子被我们称之为第一代轻子1 9 3 7 年p 子的 发现预示了自然的复杂性，p 子的性质与电子的性质相同，只是它的质量约是电子的2 0 7 倍1 9 6 2 年人们发现了与电子中微子不同的p 子中微子此时，基于二代的可重整化规 范理论慢慢被人们所接受但是更大的挑战是s l a g 的e + e 一实验上又发现了第三代的r 轻子，2 0 0 0 年美国的费米实验室发现了第三种中微子卞中微子这样三代轻子的结构 就建立起来了，就验证了标准模型预言的三代轻子 标准模型( s a d 是基于规范群s u ( 3 ) c b u ( 2 ) l u ( 1 ) y 的量子场理论【l 】，它很好的描 述了强、弱和电磁相互作用s m 包含的基本费米子是自旋为1 2 的轻子和夸克及它们的 反粒子根据味的不同，轻子和夸克可以被分成三代，每代都是一对粒子 蚓， 蚓， t 一- - b ， n ， s m 的费米子场的轻子部分为； 厶l =“l 、 h f i r ， ( i = 1 ，2 ，3 )( 1 2 ) 这里的l 让表示左手轻子二重态，包括中微子和荷电轻子右手由荷电轻子z t r 构成， 为5 u ( 2 ) 单态在标准模型中没有右手中微子场 荷电轻子的质量通过y u k a w a 写成如下形式： z = f 弓l i l i j r 4 , + h c 咖是标量h i g g s 二重态： = ( ：二) ， 由于不存在右手单态耽r ，所以对于中微子不具有d i r a c 质量项一般来说， 具有这样的形式 一z 嚣= m d 珊= f r t d ( 万l 惦+ 万r 妒l ) u ( 1 ) 变换下具有不变性，在破缺的基础上的真空期望值 u 来定义中微子味道态但是由某一弱作用过程产生的态与理论上预言 的味道态却不完全一致，出现这个差别的主要原因是中微子与重的中性轻子的混合而 在8 e 汜8 g 1 0 机制中已经可以实现这种混合但是在s m 中却忽略了这些态的混合和差别 味的混合说明了中微子味道态 = e ，p ，r ) 与中微子的质量态耽g = l ，2 ，3 ) 不是完全一致 的蚝，蜥没有确定质量而实际上却是质量态的混合态弱荷流过程使中微子质量 态发生混合 味道场嵋三，蜥) 和质量场1 1 t 兰( n ，屹，均) 可写为 吖= u p m n s u ， ( 1 1 3 ) 这里u p m s 是3 3 的幺正矩阵，叫做p o n t e c o r v o - m a k i - n a k a g a w a - s a k a t a ( p m n s ) 轻子混 合矩阵 9 7 】场哆三，脚) 形成味道基将1 1 3 代入到1 1 2 中去我们可以将弱电流写出 = ( 1 一舶) 睇m s ( 1 1 4 ) 因而轻子混合矩阵将中微子质量场和具有确定质量的荷电轻子场在弱电流中结合起来 中微子的质量态是真空中h a m i l t o n i a n 的本征态，我们提到的等式1 1 2 中的混合是真空混 合真空混合是由非对角的质量矩阵所产生 除了味道基和质量基外我们引入“对称”基( 莎，r ) ，在对称基中荷电轻子和中微子质 量矩阵一般都是非对角的我们可以写出拉氏量的质量项 z m = 堙c 一1 帆玩+ 琵尬砝，( 1 1 5 ) 我们假设中微子是m a j o r a n a 粒子注意在味基( ，1 ) 中荷电轻子的质量矩阵是对角 化的，所以存在混合就表示中微子的质量矩阵在这个基中一定是非对角的我们将等式 1 1 5 对角化 咿胁巩= 删，现尬w = 聊， 3 重轻子在l 日c 上的产生 这里彬兰d i a g ( m l ，m 2 ，m s ) 和聊兰d i a g ( m 。，嘶，m ) 是对角的转动矩阵，巩，阢，将对 称性场和质量场结合起来：莎= 巩y ，己= 阢k ，砭= b ，将这些关系代入到荷电流中 得到 = i - y o 一) 莎= h p ( 1 一佻) 讲巩| ， 因此中微子的混合矩阵由以下式子给出 习惯上将混合矩阵参数化为 ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) u p m n s = 沈3 ( 0 2 3 ) u l s ( 0 1 3 ，6 ) u 1 2 ( 0 1 2 ) z 庐， ( 1 1 9 ) 这里是关于巧平面内的0 巧角的转动矩阵，6 是1 - 3 之间转动的d i r a cc p 破坏相 位当中微子是m a j o r a n a 粒子时，有时将混合矩阵定义为u m s = u p m s 如，这里的 如兰d i a g ( 1 ，e 机，e 2 ) 是对角矩阵m a j o r a n ac p 破坏相位，它可以合并到质量本征值中去当 作一个复数参量 中微子实验现状 中微子已经取得了很大的成就，过去的太阳和大气中微子丢失之迷现在已经得到解释 并成为了测量中微子质量和混合参数的重要方法三个中微子质量之间有两个平方差， 即m l 、m 2 2 利用太阳中微子振荡实验，人们测得了码1 = 7 6 5 + 吨o2 2 0 3 1 0 硝e v 2 【2 】通 过大气中微子振荡实验，人们仅知道了m 2 的大小，i 硝：1 = 2 a + - o 0 。1 2 3 ，、, , i n 。e v 2 1 3 对于 三个混合角，人们已经知道了两个，即8 1 1 1 0 2 2 型03 0 4 + 0 0 。2 ；，s i n 吃2o + _ 0 0 0 0 6 7 【8 】对于第三 个混合角，人们只得到了它的上限，即s i n o s o 0 1 _ 0 + 0 0 0 1 1 1 6 9 】另外，人们也不清楚中微子 的绝对质量 第三个混合角0 - s 与大气中微子振荡尺度的虼分量有关s t n o 。的上限是由法国的 c h o o z 核反应堆实验给出的该实验的升级成为双c h o o z ，采用两个探测器来减小系统 误差，预期可以将探测的限制改善一个量级。日本和美国正在计划建造改善的长基线的 加速器中微子实验来测量0 t 3 ，分别称为j 2 k 和n o v a 这两个实验也将对探测的限制有 明显的改善 原则上来说，大气中微子实验也可以像太阳中微子实验一样，通过考虑在传播过程中 地球对的影响来确定m i 。的符号然而这一过程由于在大气中微子振荡尺度屹分量 ( 即s i n 吃) 太小而被大大压低了如果这个角度接近于它的上限，则人们可以从s k 的 大气中微子实验和将来的i n o 实验确定出碾。的符号 ， 对中微子绝对质量最可靠的估计来自于对氚p 衰变末端谱的研究它给出了- e ( 或 - e 占主导的质量本征态) 质量的一个上限，即m 蚝2e v 一个更大的氚卢衰变实验正在 德国建造，称为k a t r i n 它探测这一质量的精度将达到0 3e v ，然而这仍与现在测量质 量平方差的所达到的精度差一个量级当前还有很多中微子实验正在运行和建造中，这 4 重轻子在五日c 上的产生 些实验将更加精确测量中微子质量和混合的有关参数，这有助于我们探索超出s m 的新 物理 中微子理论扩展 s m 是一个非常成功的理论，它几乎解释了所有粒子物理学中的现象，并已经被能量 达到1 0 0o e v 的一阶辐射修正所验证但是在s m 的框架下还有许多基本的问题没有得到 解决：夸克一轻子的对称性结构和费米子的质量及其混合类型，轻子代的数目问题，l 一冗 对称性破缺，电弱标度问题等等而且s m 中包含了让人难以信服的大量自由参数：当没 有右手中微子，左手中微子只有m a j o r a n a 质量项时，存在1 9 个自由参数s m 主要研究 的还是低于1 0 0g e v 的物理学，这让s m 看起来并不像是一个基本理论，更像是一个低能 的近似理论并且在宇宙学中s m 不能解释宇宙学中的暗物质、暗能量和宇宙膨胀等现 象另外粒子物理学中，太阳、大气、反应堆和加速器实验中发现中微子的味道可以相 互转化，中微子具有振荡现象，确定中微子的质量不为零它们提供了超出b m 的新物 理存在的证据种种迹象表明s m 并不是个完整的基本理论，这就要求我们必须对s m 进行扩展或者提出新的理论模型 如果想在s m 的基础上进行扩展，我们可以通过8 e e s a t i ) 机制 1 0 ，1 1 ，1 2 使中微子具有 质量8 e e s t n o 机制是通过在高能标下引入一些新的粒子，产生了使轻子数破坏( l n v ) 的 量纲为5 的算符在自发对称性破缺后，这个算符产生中微子的m a j o r a n a 质量，从而解 释了中微子的小质量问题最初的8 e e 8 m o 机制0 0 ，也就做8 e e s t n l ji 机制，是在高能标下 引入右手中微子单态n r ( y = o ) 8 e e s 口t d j i i 机制【1 1 】利用一个复标量场( y = 1 ) 扩展了二 s m s e e s a wm 1 2 引入无色的费米子三重态( y = o ) 重中微子n r 3 4 ，标量三重态： 【3 5 】和费米子三重态 3 6 】及它们可能的信号很多的文献中都研究过，如果n r ，a ，e 这些 粒子不太重，具有电弱标度量级的质量，那么它们就很有可能在l 日c 上产生并观测到它 们存在的信号，从而揭示中微子质量的真正物理机制 1 2 重轻子概述 为了使得中微子获得质量，对s m 进行扩展的8 e e s 删机制中，8 e e 8 c 巩oi 和8 e e s c h oi i i 很 明显的出现了新的轻子( 在有些模型中8 e e 8 c n l 3 也会出现重轻子) 这些轻子一般质量都 比较重( 在t e v 量级) ，因而我们称之为重轻子 重轻子的产生是很自然的在很多超出s m 的新物理模型中也都出现了重轻子，如人 工色模型 1 8 】、小h i g g s 模型【1 9 】、3 - 3 1 模型【2 0 】、左右手模型 2 1 】等等 下面我们就来简单介绍几种上面的提到的超出s m 的新物理模型及其所预言的重轻 子首先是人工色模型，由于到目前为止还没有发现s m 预言的h i g g s 玻色子，人工色 模型的基本思想就是去掉了h i 9 9 8 粒子，在模型中引入了一种新的费米子却c 费米子， 在这些费米子之间存在一种类似于强相互作用的新相互作用( t o ) 用t c 费米子凝聚 0 来代替s m 中的h i 9 9 8 玻色子，使电弱对称群s u ( 2 ) l u o ) y 自发破缺到电磁对 称群u ( 1 ) e m ，实现了电弱规范对称性的动力学破缺，从而解决了s m 中的基本标量场的 5 不自然性和平庸性的问题，其中的t c 费米子就是该模型预言的重轻子 其次我们来回顾一下3 - 3 1 模型这是一个是在规范对称群s v ( 3 ) c s u ( 3 ) l v ( 1 ) v ( 3 3 - 1 ) 作用下超出s m 的扩展模型，简称3 - 3 1 模型3 - 3 1 模型有很多种，这里介绍的3 - 3 1 模型中包含一个右手中微子，它是是轻子三重态的一部分，人们将这种带有右手中微子 的3 - 3 1 模型表示成3 3 1 v r 这里我们关心的是它的轻子和标量部分对于其它部分，我们 只知道它的基本内容即可该模型中包含9 个规范玻色子，其中4 个是s m 的规范玻色子 以，雹和w z ，其余的表示为元，y 士，矿和u 叶，而且最后四个带2 单位的轻子数， 所以称之为双轻子在夸克部分中除了s m 的夸克，模型中还包括具有现象学意义的新 夸克，它们具有带重子和轻子数的特性，它们是l e p t o q u a r k 为了在此模型下实现8 e e s a w 机制，在原来标量部分的基础上加入一个标量的s e x t e t 这里认为产生轻子数自发破缺和 电弱对称性自发破缺是协同产生的以这样的方式构建的模型可以使所有的中微子都可 以从y u k a w a 相互作用中产生质量项结果发现实现8 e 圮b t z ? j ) 机制之后，会出现一个比较重 的轻子这个具有电弱标度的中微子可能会在l h c 上直接观测到在本文就不做详细的 介绍，感兴趣可参见文献 2 0 】 最后是我们工作部分的模型也日t 模型由于s m 存在着不自然性问题( 又称为规 范等级问题) ，一种叫做小h i g g s 的理论模型被提出在此理论中假定h i g g s 粒子是整体 对称性破缺中的哥尔斯通玻色子，通过“集体对称破缺”机制，用近似整体对称性保护 h i g g s 粒子的质量由新引入的与s m 相应粒子具有同样自旋的新的顶夸克、新规范玻色 子和新的标量粒子分别抵消s m 中顶夸克、规范玻色子以及h i g g s 自相互作用对h i g g s 质 量的单圈平方贡献，从而使h i g g s 质量免于平方发散，解决了不自然性问题最小h i g g s ( l h ) 模型是小h i g g s 模型的最简单实现方法l h 模型解决了s m 中的不自然性问题， 但是却受到精确电弱测量数据的限制，即精细调节问题为了解决这个问题，一个被称 为。t 宇称”的分立对称性在l h 模型中被引入，形成其中具有t 宇称的最小h i g g s ( l h t ) 模型其中为了使费米子部分实现t 宇称，引入三对“新轻子”和三对“新夸克”，它们 具有t - o d d 宇称，这里的t - o d d 轻子就是我们所说的重轻子 由于缺少大量的实验数据来检验模型，所以哪种模型都有可能是正确的最直接的检 验方法是在模型下寻找重轻子的产物( 如果它们不太重) 欧洲核子研究中心( c e r n ) 的大型强子对撞机( l h c ) 不久将全面运行它提供的是质子一质子( p p ) 碰撞，质心 能量将达到1 4t e v l h c 具有前所未有的高能量和高亮度，将有大量的新粒子产生，是 检验以上模型最好的场所l h c 上很有希望发现一些令人兴奋的新物理，所以l h c 上新 物理模型的检验也引起了广泛的关注既然如此多的模型中都出现了重轻子，那么我们 就有理由怀疑三代重轻子，轻子的代的数目下限来自于大型正负电子对撞机( l e p ) 的 数据( n 3 ) ，上限是8 ( 来自于渐进自由理论) ，第四代轻子的存在也满足现象学实验 的要求，在2 0 0 8 年9 月c e r n 召开的会议上深入探讨了第四代费米子的物理结构 1 8 】所 以我们相信重轻子是可能存在的，我们希望在未来的对撞机上观测到重轻子的存在。 6 重轻子在l h c 上的产生 1 3 工作简介 虽然s m 以取得了巨大的成功，但是由于其存在着例如：自由参数太多，不自然性， 平庸性和h i g g s 是s m 中唯一的非规范作用部分等诸多问题，8 m 被认为仅仅是一个低能 有效理论因而提出许多新的超出s m 的物理模型来解决s m 存在的问题，比如人工色模 型【1 8 】、3 - 3 1 模型 2 0 】、左右手模型 2 l 】、小h i g g s 理论0 9 等等而就是在解决这些问题 的同时，各个新物理模型不约而同的都出现了重轻子这些重轻子的出现引起了我们极 大的关注，它们的出现可能对检验新物理模型起到至关重要的作用研究这些新的荷电 轻子的产生和衰变在现在和将来的高能对撞机实验中都具有特别的意义 c e r n 的l h c 提供的p p 的碰撞，质心能量为1 4 t e v ，将超过目前在美国芝加哥费 米国家实验室运行的正反质子对撞机t e v a t r o n 的能量( 1 9 6t e v ) ，l h c 的能量是t e v a s r o n 的7 倍多，成为全世界能量最高的强子对撞机，它将产生前所未有的高能量和亮度，l h c 上将有大量的新粒子出现这也是为何理论上希望l h c 将能发现超出s m ，达到t e v 量 级的新粒子而大多数新物理模型预言的粒子也在这个范围内，这也是为何要在l h c 上 研究新物理模型的重要原因 l h t 模型是当前最具有吸引力的新物理模型之一，它与电弱精确测量数据符合，并 且具有新的味混合矩阵描述的更丰富的味结构这个性质使l h t 模型可能对一些味破缺 过程产生重要的贡献l h t 模型预言了t - o d d 二重态费米子的存在。在将来的高能对撞 机实验中任何关于这个新费米子的信号对于检验s m 味结构和寻找超出s m 的新模型都。， 会起到至关重要的作用于是许多科研工作者在e + e 一对撞机上 2 2 1 ，e p 对撞机 2 3 1 和强。+ 子对撞机 2 4 ，2 5 ，2 6 来研究这种新的荷电重轻子这些新的费米子在现在或者将来的高能 对撞机上可以产生丰富的实验现象 2 7 ，2 8 ，2 9 ，3 0 ，3 1 】在文献【3 2 】中我们已经研究了t - o d d 轻子在国际直线对撞机( i l c ) 上的产生我们的数值结果表明，在参数空间的大部分范围 内，t - o d d 轻子都可以大量成对产生在将来的i l c 实验中，t - o d d 轻子信号很有可能被探 测到 但一般人们认为在l h c 上t - o d d 轻子对的产生截面很小，所以研究它们在l h c 上的 文献很少但是l h c 即将运行，有些道可能产生较大的截面，这就要求我们详细的研究 在l h c 上t - o d d 轻子对的产生我们是第一篇计算l h t 模型中t - o d d 轻子对在l h c 上的 产生的文章，这也是本文重要的意义我们的工作就是研究在l h c 上所有可能产生t - o d d 轻子对( 在l h t 模型中用z 刍表示) 的过程只要这些轻子不太重( 小于1t e v ) ，它们就可 以通过在g g j + i ；，口一_ z 刍：吾朋_ z 吉z 五和y y _ l + 皤( y = w 或刃过程中产生 本文的结构如下：第二章简单介绍了8 e e s a t l ) 机制，重点讨论了8 e e 8 a t i 7i l l 上重轻子的 产生及其现象学分析最小走动人工色模型的基本思想及其重轻子的现象学分析在第三 章给出第四章阐述了小h i g g s 模型的基本思想并详细介绍了l h t 模型及其预言的重轻 子这也是我们的工作部分的理论基础核心部分是第五章，我们在l h t 模型中具体讨 论了重轻子的所有可能的产生过程，并计算了相应的截面值，给出重轻子产生和衰变的 简单现象学分析最后一章总结了该论文的主要成果，并对相关问题作了简要的讨论 7 第二章s e e s a w 机制 2 1s e e s a w 机制的基本思想 当前的太阳、大气、反应堆和加速器中微子实验数据都表明中微子在传播过程中存 在味道的改变即振荡现象中微子振荡现象确定了中微子的质量不为零，并为许多超出 s m 的新物理模型提供了实验依据这些新物理模型的标度都在t e v 附近，而c e r n 的 大型轻子对撞机( l h c ) 具有前所未有的高能量和高亮度，将会有大量的新粒子在其上 产生这将是检验新物理模型的最佳场所在s m 中引入8 e e 8 a w 机制，可以很好的解决中 微子的小质量问题，现在我们来简单回顾一下s e e s a w 机制 s e e s a w 机制的基本思想是通过在高能标下引入一些新的粒子来解释中微子的小质量 问题通过对这些重粒子场的积分，产生了使轻子数破坏( l n v ) 的量纲为5 的算符【3 3 】 这里 ( 0 5 ) 巧= 瓦矿矽岛l ， ( 2 1 ) 玩：f ，吼、， z t 厶 “= 1 ，2 ，3 ) ( 2 2 ) 是s m 左手轻子二重态，妒是s m 的h i g g s 粒子且孑= i r 2 ，露是泡利矩阵在自发对称 性破缺后，这个算符产生中微子的m a j o r a n a 质量。这个算符是群s v ( 3 ) c s u ( 2 ) l v ( 1 ) y 下唯一允许的量纲为5 的算符最初的8 e e 8 a w 机制【1 0 】，也就做s e e s a wi 机制，是在高能 标下引入右手中微子单态n r ( y = 0 ) s e e s a w i i 机制 1 l 】利用一个复标量场( y = 1 ) 扩展了s m s e e s a wm 1 2 引入无色的费米子三重态( y = 0 ) 重中微子n r 3 4 ，标量 三重态a 3 5 和费米子三重态 3 6 】及它们可能的信号很多的文献中都研究过，在一些大 统一理论中 3 7 】还将i 和m 结合在一起，同时引入到模型中如果模型中引入的新粒子 n r ，a ，不太重且具有电弱标度量级的质量，那么它们就很有可能在l h c 上产生并观测 到，就会揭示中微子质量的真正物理机制 在新物理能标下，s e e s a w 机制通过一个新物理标度的比值压低因子解释了中微子的 小质量它分为三种；8 e e s a wi 、s e e s a wi i 和s e e s a wm ，以下给出三种模型的基本思想 s e e s a wi e l 0 ：引入右手中微子单态n r ，在s m 规范群s v ( 3 ) cxs v ( 2 ) l v ( 1 h - 下用 ( 1 ，1 ，o ) 表示n r 不具有s m 规范群的相互作用轻中微子质量m ，通过m ，一耖；t ，z 知r 给 出，这里 是s m 中h i 9 9 8 二重态的真空期望值( y e y ) ，珈是y u k a w a 耦合参数，m n 冠是 右手中微子的质量，它可以置于新物理标度下若跏一1 为了获得e y 或更小量级的中微 子质量，m n 就要求具有1 0 1 4 _ 1 5g e v 的量级。这就使得在实验范围内不能直接测量n r 但是，y u k a w a 耦合参数y ，也可以不是1 的量级如果它与电子的y u k a w a 耦合参数量级 类似或更小，则m r 具有t e v 的量级，这就使得有可能在l h c 上直接测量到坼 s e e s a wu 1 1 ：引入一个h i g g s 三重态表示a ；( 1 ，3 ，1 ) 在这个模型中，中微子质量具 有m ，皇k u ，这里弘是三重态中性部分的v e v ，k 是y u k a w a 耦合利用一个二重 8 重轻子在l 日c 上的产生 态和三重态的混合，其中涉及到一个无量纲的参数p ，电弱对称性破缺后产生一个关系 u a 一删2 瑾，这里m , 是三重态的质量这种情况中，标度a 由磁肛所取代当如一1 时，p 一姚，标度a 也是1 0 1 4 1 5g e v 的量级当然，姚也可能具有t e v 的值 s e e s a w i h 1 2 ：引入轻子三重态表示ls ( 1 3 ，o ) 来产生中微子的质量矩阵这里中微 子的质量矩阵形式和8 e e 8 q wi 中相同高能标a 被s u ( 2 ) l 三重态表示的轻子质量所替代， 它也可以具有乳y 的值 从上面三种8 e e 8 口w 机制的基本思想我们可以明显的看到，在8 e 比8 a t ui 和8 e e 8 q l i ji i i 中 会有不同于s m 的新轻子出现，它们具有相对较大的质量它们的衰变引起我们极大的 兴趣，通过探测它们的衰变产物，我们可能会发现新物理存在的迹象这里我们只研究 8 e e 8 伽m 中出现的重轻子下面先让我们来回顾一下毒比5 舢h i 机制的内容 2 2 s e e s a wh i 机制 本部分我们将集中介绍8 e e s a wh i 机制模型【3 8 】，按一般习惯写出产生和衰变过程相关 的拉氏量项这里尽可能简单表示了该模型，在末尾部分给出新费米子和标量粒子混合 的限制 在8 e e s q i j ) h i 模型中，一般是利用三个轻子三重态马o r = 0 ) 来扩展s m 这里将三重 态写成c a r t e s i a n 分量的形式葛= ( 骂，巧，譬) ，三重态和轻子二重态的y u 七伽口相互作用 形式为 z y ：一场乏l ( 葛甲) 石+ c ， ( 2 3 ) 这里y 是一个3 3 的y u k a w a 耦合矩阵l 乞是s m 轻子二重态( 以弱作用本征态为基) 这个相互作用通过自发对称性破缺产生一个质量项 咖= ( ；) _ 弓专( ：) ，石- i r 2 妒* - - , 1 ( 口o ) ，c 2 4 ，二+ 这里口= 2 4 6 g e v 三重态的m a j o r a n a 质量项是 z m = 一去心宴；茸+ 九c ， ( 2 5 这里的m 是一个3x3 的对称矩阵三重态马的；，髯，碍具有相同的质量项对于每一 个三重态马，写成c a r t e s i a n 分量形式为 ；- = 去( 骂一t ；) ，s o = 碍，写= 击( 弓+ i 碍) ， 物理的粒子，荷电d i r a c 费米子弓和中性m 町o r 费米子蟛， 弓= 巧+ 譬。，吖= s o + 驾。 对于选择的三重态的右手手征性，我们有 巧l = 譬。，巧r = 丐，巧l = t o c ，形r = 骂 9 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 重轻子在l h c 上的产生 气。= 一三( 一，瓦) ( 茹t 髫) ( 爱卜 “叫碗) ( 髻：) ( 乏卜 巩= 钆+ t 夕于谚p ， ( 2 1 2 ) 五= 0 0 o ) ，易= 0 0i i ，码= 0 - io ) ，g 3 ， z w = 一夕( 砀p 蟛吩+ 巧矿巧吩) ， 2 历y i n 磊v -(216)nv 二7 n 重轻子在l 日g 上的产生 上面的m 指的是重中微子的质量与s m 的h i g g s 的相互作用由y u k a w a 项2 3 得 幻2 二嚣1 麓 7 - - z 二? 卷麓日 一( z t l 场巧r + 巧r 瑶屯) 日 利用质量本征态e ，n ，z 和将上面重新写为 z 日2器( 编+ k 知砚耽) 日 ( 2 1 8 ) + 涨( m z 忍刀+ v 南- e p l i ) h , 、7 这里m 2 = m e = m 最后，由于n 和耽是m a j o r a n a 费米子，它们的中性和标量相互作 用可以重新写为 z z p 2 衰现矿( 晚一k 知户r ) 乙， ( 2 1 9 ) z 目v n = 舞话v d v m p r + v i n p l ) n h 由于模型中出现的粒子比较多，下面我们对8 e e 8 a wm 模型预言的粒子做一个归纳 新粒子：轻子三重态，其中它包括两个粒子，一个荷电轻子e 和一个重中微子n ；s m 粒子；左手轻子二重态厶l ，其中包括和荷电轻子l ；l 和中微子圪 重中微子n 为单态时，由电弱精确数据而来的新费米子三重态的限制【3 9 】( 具有9 0 c l ) 为 333 l k 肌1 2 0 0 0 0 3 6 ，i 肌1 2 0 0 0 0 2 9 ，i w 1 2s0 0 0 0 7 3 ( 2 2 0 ) t = 1= 1= 1 还有来自于l f v 过程，如p _ e 7 ，r _ e 7 和r _ 胛的限制【4