量子色动力学在希格斯与顶夸克物理中的应用

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欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)的第一期运行已经结束,其中最为重要的实验成果当属发现了一个标准模型的希格斯(Higgs)玻色子,随着Higgs玻色子的发现,标准模型又一次成功的得到了实验的检验,粒子物理学进入了一个全新的发展阶段。由于标准模型仅仅是一个有效理论,为了研究超出标准模型的新物理,Higgs的发现为之提供了一个重要的研究对象。此外,由于LHC上产生了大量的顶夸克的事例,可以对项夸克物理进行精确地研究。由于顶夸克是质量最大的基本粒子,并且与Higgs粒子耦合强度很大,它对于理解电弱对称性破缺起到了重要的作用。因此通过强子对撞机上Higgs以及顶夸克物理过程的研究,是精确检验标准模型,以及寻找超出标准模型新物理的重要手段。  本文首先介绍了强子对撞机上微扰量子色动力学(QCD)计算方法,其中包含QCD基础介绍,次领头阶(NLO)修正介绍,以及Catani-Seymour减除方法介绍。随后讨论了软共线有效理论(SCET)的最新进展,其中包含了对SCET的简要介绍,“共线反常”以及“快度重整化群”方法的主要内容,以及在SCET的框架下对近年来所发展起来的带有喷注veto重求和方法做了介绍。在完成理论方面的综述后,本文重点讨论了SCET以及微扰QCD在Higgs以及顶夸克物理方面的应用,具体成果如下:  (1)在SCET框架下利用“共线反常”正规化方法,研究了LHC上带有喷注veto的Higgs和规范玻色子联合产生过程的重求和效应。在次次领头对数(NNLL)阶的水平上计算了带有喷注veto总截面、不变质量分布,并且比较了不同喷注半径及喷注veto大小的结果。结果表明当喷注半径R=0.4(0.5)及喷注veto为25 GeV的时候,与NLO结果比较,重求和效应可减少标度依赖性到7%(6%)。  (2)在SCET框架下研究了LHC上标准模型Higgs玻色子对产生过程中阈值重求和效应。在NNLL阶的水平上计算了总截面及不变质量分布,其中对固定阶硬函数中出现的π2项重求和到了所有阶。结果表明,重求和效应放大了NLO结果27%,标度依赖性被减小到8%。此外,还研究了Higgs玻色子对产生的总截面及不变质量分布对Higgs玻色子自耦合参数的依赖关系。发现,总截面及不变质量分布的形状强烈依赖于Higgs玻色子自耦合参数,因此随着LHC测量精度的提高,有可能通过不变质量分布及总截面来抽取Higgs玻色子自耦合参数。  (3)在SCET和重夸克有效理论框架下,推导出强子对撞机上t(t)+(0)j产生过程的因子化表达式。定义了与喷注veto相关的软函数来描述末态有质量带色粒子的软辐射效应,并且在NLO水平上计算了软函数的表达式,最终对t(t)+(0)j过程进行了NLO+NNLL阶重求和的计算,并与Monte-Carlo事例生成器的部分子簇射(Parton Shower)的结果进行了比较。结果表明,与Monte-Carlo事例生成器POWHEG+PYTHIA的数值结果相比较,重求和的效应对带有喷注veto的顶夸克对产生的总截面有明显的放大,特别是LHC的情形。此外,这种增强效应会随着喷注veto的增大而减小。  (4)在QCD NLO水平上计算了Tevatron上四夸克有效算符诱导的顶夸克对产生前后不对称性和总截面的大小。计算结果表明,QCD NLO修正能够改变前后不对称性及总截面的大小约10%。此外,QCD NLO修正还减小了前后不对称性及总截面对重整化及因子化标度的依赖性。同时,在Tevatron实验结果所限制的参数范围内,在QCD NLO水平上计算了LHC上四夸克有效算符诱导的顶夸克对产生的色荷不对称性和总截面大小。结果表明,有效算符对色荷不对称性的贡献远大于标准模型的预言,随着测量精度的提高,LHC有能力去探测这种可能的新物理效应。
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