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宇宙学和高能对撞机上若干新物理的唯象研究

乔庆鹏  
【摘要】:标准模型(SM),是描写强相互作用和电弱相互作用的SU(3)_C(?)SU(2)_L(?)U(1)_Y规范理论。它在过去的三十多年中得到了充分的检验。电弱统一理论所预言的弱中性流的发现为Weinberg和Salam(和Glashow一起)赢得了1979年的诺贝尔物理学奖;其后的中间玻色子(W~±和Z)在实验上被观测到又为Rubbia和Vander Meer带来了1984年的诺贝尔物理学奖;渐进自由则为David J.Gross,H.DavidPolitzer以及Frank Wilczek获取了2004年的诺贝尔物理学奖。迄今为止在实验误差范围内,在所有反应中标准模型的理论预言与数据符合得非常好,这些都使我们确信标准模型是描述TeV能区(也许可以扩展到更高能区)的正确理论。然而,标准模型仍存在着一些根本性的问题,比如理论中存在太多的参数需要实验确定;标准模型中著名的等级性(hierarchy)问题等等,但是最为关键的问题是,负责弱电自发破缺的Higgs机制预言了至少有一个中性Higgs玻色子存在,而这个起关键作用的Higgs粒子在实验上至今也没有被找到。这就为超出标准模型的新物理留下了存活的空间。目前,人们提出了许多新物理理论,譬如:Technicolor(TC)理论,Little Higgs理论等等。Technicolor是一个没有Higgs粒子的理论,基本思想是:引入一种新的渐进自由的类似QCD的强相互作用和具有强相互作用的新费米子(TC费米子)。在一个高的能量标度,TC费米子发生凝聚,以此来代替标准模型中的Higgs玻色子,从而实现电弱对称性到电磁对称性的动力学破缺。因此它很自然地解决了标准模型中的一些理论问题。不过,最初的TC模型自身也存在着不少的问题。为了给费米子提供质量而不产生大的味改变中性流,致使人们去构想“走动”的人工色理论(Walking TC)。而为了给顶夸克提供大的质量而没有大的△Γ_b和T修正,人们又提出了顶色辅助的人工色理论(TC2)。 top-pion(Π~(0,±))和top-Higgs(H_(TC))是TC2模型所预言的特征粒子。因此,实验上如果能够发现这些粒子则可以认为是对TC2模型的直接验证。我们在工作中研究了这些特征粒子在ILC上单圈水平上的成对产生的过程,即e~+e~-→H_(TC)Π~0和e~+e~-→Π~+Π~-[1,2]。研究表明,两者的产生截面在大多数的参数空间可达到数十个fb的量级,同时这些过程都还有着相当明显的NLO修正。另外,我们还研究了gg→H_(TC)在LHC的生成过程,结果表明和标准模型的类似过程gg→h相比较,前者的生成率要高得多;即使是和TC2模型中的另外一个中性标量粒子的生成过程gg→Π~0[3]相比较,gg→H_(TC)的产生率也要高出一些。因此,这个产生道在即将运行的LHC上的观测是值得人们期待的。 在高能物理领域,宇宙学的研究是和加速器物理一样重要的。宇宙学面临的一个重大的挑战就是暗物质的问题,而在标准模型中人们却找不到暗物质合适的候选者。为了解决这个问题,人们提出了各种各样的理论。 在带有T宇称的Littlest Higgs模型中,电中性的重光子A_H的质量最轻,同时其T宇称为奇,在T宇称守恒的前提下,它是稳定不衰变的。因此重光子可以被视为是WIMP冷暗物质的一个理想的候选者。 我们在文中通过使用玻尔兹曼时间演化方程对重光子在宇宙中的残留量进行了估算[4]。计算的结果表明当Higgs的质量取300 GeV并在不考虑T宇称破缺的前提下只有两个比较窄的范围133<M_A_H<135 GeV和167<M_A_H<169 GeV是和目前的天文学观测量相互包容的,如果135<M_A_H<167 GeV,那么必须至少同时存在着其它种类的重粒子对冷暗物质的密度起着贡献。我们在文中还考虑了T宇称的破缺效果,当T宇称可以破缺的时候,重光子将会衰变到普通的标准模型粒子,这样的话就会影响到宇宙中暗物质的含量,我们利用当前宇宙学可观测量对其破缺参数进行了严格的限制。地基实验直接观测的前景也在我们的工作中做了较为详细的阐述。


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