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在新一代线性光子对撞机中的单个带电Higgs粒子的产生

陈刚  
【摘要】:在标准模型中,弱电对称性破缺机制(Higgs机制)具有至关重要的地位,它在理论上和实验上都具有很大的指导意义。而对Higgs粒子的观测对于理解和明确弱电对称性破缺机制是至关重要的。尽管,标准 弱电模型经过几十年的发展,取得了巨大的成功。其大部分理论预言已被实验所证实。但是,标准模型的基本原则之一---自发对称破缺,还待实验证实。在标准模型中,Higgs部分只包含一个中性的标量Higgs粒子(即单个Higgs二重态), 而且Higgs粒子的质量不能由标准模型理论本身确定。标准模型的这些的缺陷都是值得进一步研究的,目前一些新的理论模型提出了解决这些缺陷的方法。如超对称模型和两个Higgs二重态模型。最小超对称模型(MSSM)和两个Higgs二重态模型(2HDM)是标准模型的两种最简单得的扩充,在这两种扩充中,由Higgs二重态构成的Higgs部分经弱电破缺后形成五个Higgs粒子:三个中性Higgs玻色子( )和两个带电玻色子( )。带电Higgs玻色子是超出标准模型的新物理的一个明确的标志。在这些模型中都对弱电对称破缺(EWSB)进行了扩充,使得在弱标度下,带电Higgs玻色子是对应模型质谱的一部分。带电Higgs玻色子的电弱规范相互作用通常取决于它的电荷及弱-同位旋,同时带电Higgs玻色子的Yukawa耦合依赖于模型并能在高能对撞中形成带电Higgs玻色子的新的产生机制。大多数描述EWSB机制的理论通常分为两类:超对称理论(描述基本的Higgs标量)和动力学理论(描述复合的Higgs标量)。最小超对称SM(MSSM)和动力学的Top-color模型就是这两类的例子。我们将看到,在这些模型中与第三代夸克和轻子相联系的Yukawa耦合系数比较大,并且能区分。因此,我们能够通过对极化光子对撞中单个带电Higgs粒子产生几率的测量来验证这些色对称破缺的模型。 对于一个较轻的带电Higgs玻色子,其质量 低于大约170GeV时,带电Higgs玻色子可以在强子对撞中通过top夸克衰变产生,即: 。这种过程在Fermilab Tevatron 和CERN 的大型强子对撞机(LHC)上都能产生. 对于 ,在Tevatron和LHC上带电Higgs粒子可以通过下列产生过程: , 和 等探测到。在Tevatron中 熔合形成 的相关产生的探测是很困难的,原因是由于它的产生几率很小。但是,对于 时,在LHC中该过程是可观测的。由 产生 是有利的,它有较大的产生几率;并且在对撞中Yukawa耦合系数并不是很小的情况下也能探测到。 过程由圈修正产生,一般情况下产生重的 的几率很小,除非它的几率通过s-通道被加强,比如: 。类似的,在一般的两个Higgs二重态(THDM) WP=5 中,过程 的几率是相当小的。如果 是在一个三重态表示中, 顶角能在树图级拉氏量中出现破缺项。但是,由于对 -参数有很强的实验限制,它的强度很小。因而, 中 的产生几率也不可能很大。在核子对撞中,带电Higgs玻色子还能够通过s-道 熔合成对产生。但是,当 增加时,成对带电Higgs产生的几率一般都比通过单个带电Higgs产生机制预言的小。 如果带电Higgs玻色子的 小于线性对撞的质心能量 , 可以通过散射过程 和 成对产生。 对的产生几率取决于 的弱电规范作用,而 的弱电规范作用只依赖于它的电荷和弱-同位旋。当 时,带电Higgs玻色子不可能成对产生。在这种情况下,带电Higgs玻色子的主要产生机制是单个带电Higgs玻色子的产生过程,比如圈过程 和树图过程 以及 。在上述树图过程中 的产生几率取决于 与费米子的Yukawa耦合系数。在电子对对撞中,单个带电Higgs产生过程的散射截面一般比较小,因为单个 是经s-道过程产生。而在光子对对撞中,单个带电Higgs的散射截面由于t-道图的出现而被提高。 众所周知,研究高能极化光子对对撞的一个主要目的是决定中性Higgs玻色子的CP性质。在本文中,我们主要讨论在两个Higgs二重态模型(2HDM)中光子对对撞产生单个带电Higgs玻色子的树图级散射截面 同Higgs质量 和 的关系规律。主要针对 过程的树图级散射截面的计算,在理论上说明带电Higgs的相关性质---带电Higgs质量 的大致范围, 同费米子的Yukawa耦合等。结果发现,当 保持不变时,散射截面 随着 的增加而增加( ),散射截面 得大致数量级为 。当 保持不变时,随着 的增加散射截面 随之减小,由此可大致得出 的范围在100GeV到1TeV左右。


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