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LHC上顶夸克对伴随Z~0/h~0产生过程中的超对称QCD及CP破坏效应

刘宁  
【摘要】:粒子物理标准模型(SM)虽然得到了广泛的实验检验,但它自身的不足使得人们相信标准模型之外有可能存在新物理。最小超对称标准模型(MSSM)是标准模型的众多扩展模型中最为流行的一个,它解决了标准模型中的精细调节和规范耦合常数统一等问题,同时在R宇称守恒的MSSM中,最轻的超对称粒子(LSP)能够自然地成为暗物质候选者。然而到目前为止还没有明确的实验结果证实超对称粒子的存在,因此在大型强子对撞机(LHC)上对超对称粒子的间接效应和直接产生研究就显得很重要。 在本论文中,我们首先对LHC上顶夸克对与规范玻色子Z~0伴随产生过程中的超对称QCD (SUSY QCD)效应作了精确研究。顶夸克作为标准模型中最重的费米子,它在理解电弱对称性破缺机制和寻找新物理方面发挥着重要的作用。由于LHC将会有大量的顶夸克事例产生,而超对称伴随子也将会通过圈图间接影响t(t|ˉ)Z~0的产生性质,因此对t(t|ˉ)Z~0联合产生过程的精确研究为人们直接检验顶夸克和中性规范玻色子Z~0的电弱规范耦合以及寻找超对称信号提供了良好的机会。我们的研究结果表明,完整的SUSY QCD单圈修正降低了树图截面对能标(μ=μR =μF)的依赖性;由超对称粒子的效应引起的负的贡献也降低了标准模型过程中的产生截面;同时该过程中gluino圈的共振效应也导致末态粒子的横动量分布以及t(t|ˉ)的不变质量分布发生了变化,例如:在90 GeV (p_T~t) 120GeV或者120 GeV (p_T~z) 150GeV时,由超对称粒子的效应引起的负贡献能够超过8%。随着实验精度的不断提高,这种效应有可能在LHC上被观测到。标准模型中CKM矩阵是CP破坏的唯一来源,但由此引起的CP破坏效应是很小的。在最小超对称标准模型中可以存在复的超对称参数形成新的CP破坏源,从而有可能使与顶夸克相关的CP破坏效应在LHC上被探测到,因此在与顶夸克相关的物理过程中观测到的CP破坏效应都可能暗示着新物理的存在。鉴于此,我们进一步研究了LHC上t(t|ˉ)Z~0联合产生过程在复参数的最小超对称标准模型(cMSSM)中的CP破坏效应,通过构造一个CP为奇的可观测量A_Φ来反映该过程中的CP不对称性,该可观测量的构造解决了在全同粒子的对撞机上束流方向选为坐标z轴时无法确定z轴方向的困难。结果显示:在目前实验允许的参数空间内,CP破坏量最大可以达到2.17×10~(-3),这在高亮度运行的LHC上是有可能被探测到的。 顶夸克与希格斯粒子之间存在较大的Yukawa相互作用,这就使得顶夸克对与h~0的伴随产生过程成为LHC上检验希格斯机制、同时也是寻找希格斯粒子的重要过程之一。在本论文中,我们还详细研究了SUSY QCD粒子在圈图层次上对pp→t(t|ˉ)h~0过程的贡献,并进一步研究了该过程中的CP破坏效应。主要研究内容包括:最小超对称标准模型中对总截面和末态粒子横动量等分布的单圈SUSY QCD修正以及cMSSM中的CP破坏效应,我们在CP守恒和CP破坏两种情况下进行讨论。我们的结果显示:在CP守恒情况下,由超对称粒子的圈图效应引起的贡献可以达到树图截面的-14.86%;在CP破坏情况下,相应的贡献为树图截面的-9.18%。在CP守恒和CP破坏两种情况下,完整的SUSYQCD修正都降低了树图贡献对能标的依赖性;而末态顶夸克与反顶夸克的角度分布显示:两者倾向于沿着一条直线运动,其中更倾向于沿着相同方向运动。最后我们同样采用CP为奇的可观测量A_Φ来描述该过程中的CP破坏程度,在已有的实验参数限制下,CP破坏效应最大为2.83×10~(-3)。随着LHC亮度的不断提高,该过程中的SUSY QCD效应以及CP破坏效应都将有可能被实验探测到。 本论文组织如下:我们在第一章中对标准模型理论及其不足做了简单介绍;第二章简单介绍了最小超对称标准模型,并对cMSSM中的CP破坏机制做了介绍;在第三章和第四章中,我们分别详细分析了cMSSM下pp→t(t|ˉ)Z~0/h~0产生过程中的SUSY QCD效应以及相应的CP破坏效应;最后我们对本论文中的内容进行了总结。 本论文的创新之处: ·我们对pp→t(t|ˉ)Z~0过程首次进行了SUSY QCD修正的精确计算。计算中不仅包括了通常的实参数下SUSY QCD修正,还在计算过程中引入复超对称参数,并研究了这些参数对该过程的影响。同时我们也将这种复超对称参数首次运用到pp→t(t|ˉ)h~0过程中。文章中对超对称粒子贡献的详细分析和精确计算为理解LHC上t(t|ˉ)Z~0/h~0联合产生过程中的超对称效应提供了重要的信息。 ·构造了一个CP为奇的可观测量A_Φ,这个可观测量适用于LHC上末态为f (f|ˉ)X~0的过程,它解决了在全同粒子的对撞机上束流方向选为坐标z轴时无法确定z轴方向的困难。我们利用这个可观测量来体现pp→t(t|ˉ)Z~0/h~0过程在复参数的最小超对称标准模型(cMSSM)中的CP破坏效应。我们的结果表明,这个CP为奇的可观测量对两个过程中的CP破坏效应比较敏感。当LHC运行亮度足够高时,这两个过程中的CP破坏效应将有可能被探测到。


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