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尽管标准模型(SM)在揭示人们可达到的最小尺度内的基本自然规律方面以及描写目前实验数据方面取得了显著的成功,但是在标准模型中负责电弱对称性自发破缺机制的黑格斯(Higgs)粒子迄今仍未被实验所发现。此外,有关标准模型的诸多理论争端以及超出标准模型的实验迹象暗示着标准模型是不完善的,它应该包含于某种更基本的理论之中。许多超出标准模型的新物理的一个主要动机是解决标准模型中电弱能标和普朗克能标之间的等级结构问题和精细调节问题。人工色理论作为一种电弱对称性动力学破缺理论,它在超出电弱能标不太高的标度引入新的强相互作用,从而延缓等级结构问题。最小Higgs模型是基于SU(5)/SO(5)整体对称性破缺的非线性σ模型,它借助整体对称性部分破缺的方式来消除最低阶贡献,从而实现问题的解决。
在各种各样的电弱对称性动力学破缺模型中,项色辅助的人工色(TC2)模型是最令人感兴趣的,因为它把top夸克和电弱对称性破缺联系在一起。在TC2模型中,顶色(topcolor)相互作用对电弱对称性破缺的贡献很小,但它负责产生top夸克的大部分质量,其贡献大小为mt=(1-ε)mt(ε=0.03-0.1),其中ε是一个与模型有关的参数。人工色(technicolor)相互作用在电弱对称性破缺中扮演主要角色,而扩充的人工色(extendedtechnicolor)相互作用产生轻费米子的质量,而对top夸克质量仅产生大小为εmt的贡献。TC2模型预言了三个CP奇宇称标量粒子top-pions(π±t,π0t)和一个CP偶宇称标量粒子top-Higgs(h0t)。这些新粒子可视为TC2模型的特征粒子,它们是第三代夸克的凝聚产物并与第三代夸克存在较强的耦合。此外,topcolor相互作用是非普适的,它不满足CIM机制,这种非普适的相互作用会产生一些树图阶的味改变中性流顶角,这些味改变耦合强度比较大,这是TC2模型的又一特点。
在最小Higgs模型中,除了标准模型的粒子之外,还引入了新的荷电重矢量玻色子(W±H),一个中性重矢量玻色子(Z0H),一个重光子(AH),一个重top夸克(T+)和一个重的标量三重态(φ)。相对最小Higgs模型,带有T-宇称的最小Higgs模型(LHT)是一个理论上协调的唯象上可行的模型。LHT模型需要引入三代镜像夸克和三代镜像轻子,三代镜像费米子都是T奇字称态。另外,对于上面所提及的新粒子,除T+是T偶宇称态之外,其它都是T奇宇称态。最后,LHT模型中还包含一个T奇宇称重top夸克(T+)。LHT模型中的镜像费米子可引起特殊的味结构和一些新的味改变耦合,这些味改变耦合可以较大地提高一些味改变过程的产生几率。
基于已运行的大型强子对撞机(LHC)和未来的国际直线对撞机(ILC)这两个高能对撞机的运行环境,结合一些具体的物理过程,我们对TC2模型和LHT模型中新粒子的产生过程以及这些模型对一些味改变过程的影响进行了分析研究,主要研究工作表现在以下几个方面:
(1)在LHC上TC2模型下研究了top-Higgs与top夸克对联合产生的树图过程pp→tt-h0t,在LHC上该过程通过部分子过程qq-→tt-h0t和gg→tt-h0t来实现。我们分别考察了top-Higgs质量和模型参数ε对该过程产生截面的影响。我们的数值结果显示,在模型的大部分参数空间中,过程即pp→tt-h0t的产生截面可达到几百个fb,而对于轻的top-Higgs,截面达到几十个pb。我们还给出了产生截面随h0t粒子横动量变化的分布以及产生截面对重整化标度/因子化标度的依赖关系。
(2)在TC2模型下计算了过程e+e-→tt-h0t的产生截面,计算结果显示,在top-Higgs质量取值的全空间中,当ILC质心能量在1 TeV和2 TeV之间时,该过程产生截面的取值为1.0-7.5 fb。此外,我们还分别给出了产生截面随h0t粒子和top夸克横动量变化的分布。
(3)在ILC上LHT模型下研究了b夸克和s夸克的味改变联合产生过程,即e+e+→bs-和rr→bs-。结果显示,在合适的参数空间范围内,ba-产生截面是相当大的。在ILC上通过对这些过程的观测有望实现对LHT模型的检验或者为模型参数给出一些限制。