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规范场论的提出是人类向统一各种相互作用迈进的十分引人瞩目的一步,标准模型在这种背景下诞生并获得了极大的成功。迄今为止所有的低能实验现象与基于SU(3)(×)SU(2)(×)U(1)规范理论的标准模型相符合。然而标准模型理论的另一基石Higgs机制所预言的Higgs粒子至今没在实验上被发现。有理由相信标准模型并不是描述物质世界的终极理论,它有可能仅是其它更基本理论的一个低能有效理论。
最小超对称标准模型(MSSM)和大额外维(LED)模型用不同的方法解决了标准模型的等级差问题,日益成为物理学家关注的标准模型的扩展理论。MSSM通过引入超对称性和超对称粒子来解决等级差问题。最小超引力(mSUGRA)统一理论不但提供了超对称自发破缺的框架,并且可以减少MSSM中大量软破缺参数对理论预言带来的任意性。最近几年的研究发现,MSSM中最轻的中性Higgs粒子h0的质量不超过150GeV。如果最小超对称标准模型正确,h0将必然能够在LC上探测到,而且在MSSM的很大参数空间上,LC将能够探测到两个以上的Higgs粒子。
大额外维模型,用引入新的空间维数的方式来解决等级差问题。时空维数大于4的想法在弦论中非常普通,因而,大额外维模型可能是弦论的一个低能近似理论。这个理论将引力也纳入到标准模型的框架中,并且按照ADD模型的想法,在高维空间传播的无质量引力子可以等效于许多在四维时空传播的有质量的引力子,这使人们能够研究引力子与普通粒子的相互作用,特别是将来可能发现的Higgs玻色子的相互作用,为将来更高能标下可能发现的新物理做好理论准备。
未来的直线对撞机和强子对撞机的主要任务之一就是寻找Higgs粒子。为了重建Higgs势,确定Higgs的耦合性质是很有必要的。本论文在不同的模型下研究了Higgs的耦合性质,包括Yukawa耦合、与规范玻色子的耦合以及Higgs自耦合。在能量约为300~500GeV的直线对撞机上,测量HZZ耦合的主要过程是轫致辐射过程e+e-→ZH;而当能量较高时,轫致辐射过程的截面压低,一些三体末态的过程就显得很重要。首先,e+e-→HZZ过程不仅是探测gZZH的重要过程,而且也提供了研究四线耦合(例如C-破坏的HZZZ或HγZZ)的可能性。由于四线耦合在标准模型树图阶是不存在的,故而通过上述过程的探测就显得更加重要。e+e-→HHZ是探测Higgs自耦合的首选过程。我们分别在标准模型和大额外维模型中研究了这些过程。Higgs对产生由于能够提供Higgs三线耦合的信息,也能够间接地检验Yukawa耦合、Higgs与规范玻色子的耦合,因此在Higgs产生过程中占有很重要的地位。我们分别计算了最小超对称标准模型下直线对撞机上的中性Higgs对产生过程,和四代费米子标准模型下LHC上的中性Higgs对产生过程。本论文的创新之处如下:
·本文首次研究了MSSM下所有可能的中性Higgs对在LC上的产生过程,全面的计算讨论对于寻找Higgs粒子,检验它们的各种耦合性质有很重要的意义。计算中采用mSUGRA参数,减少了MSSM中大量软破缺参数对理论预言带来的任意性,使结果表达得非常明晰。
·我们采用γγ对撞模式来研究MSSM的中性Higgs对产生,对于末态Higgs粒子总的CP为偶的过程,γγ对撞模式的产生截面与e+e-对撞的产生截面相差不大,但光子对撞模式的质心系能量可调,也不存在s道压低的问题,因此我们认为光子光子对撞的模式更有优越性。
·e+e-→HZZ过程不仅是探测gZZH的重要过程,作为三体末态过程,它还提供了研究四线耦合的可能性,并且在实验上可能成为一些新物理过程的本底,所以对它的精确研究很有必要。我们研究了这个过程的单圈阶电弱辐射修正,精确的计算对于未来LC实验寻找Higgs粒子以及测量gZZH具有理论上的指导意义。
·我们首次在正负电子的不同极化状态下计算了e+e-→HZZ和e+e-→HHZ两个过程的额外维效应。e+e-→HHZ是探测Higgs自耦合的首选过程,因此精确的计算很有必要。额外维效应很大程度上改变了标准模型的截面,尤其是当能量高的时候。另一方面,精确的计算对实验上能探测到的额外维基本能标给出了限制,因此我们的结果不但对于检验Higgs的自耦合、Higgs与规范玻色子的耦合有重要意义,也提供了实验上检验大额外维模型的重要信息。