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双希格斯二重态模型下对五个新物理迹象的研究

李少平  
【摘要】:粒子物理标准模型是目前基本粒子物理学的正统理论。虽然粒子物理标准模型成功地预言了标量希格斯玻色子,并且经受住了大量与时俱进的实验检验,但其本身仍具有平庸性和不自然性的问题,同时对一些实验现象也无法给出合理的解释。这些问题涵盖了:微调(fine-tuning)问题和等级(hierarchy)问题;三代费米子之间的质量层级与味混合问题;宏观宇宙中观测到的物质-反物质不对称性以及暗物质与暗能量的起源;微观实验上观测到的中微子振荡、B介子物理中的轻子味普适性的破坏以及缪子反常磁矩测量中所存在的理论与实验之间的偏差等。为了寻找一个超越标准模型的完美理论,并用其来解释标准模型本身所无法解决的上述诸多问题,人们进行了各种各样的尝试,提出并发展了一系列新物理模型。然而,即使在当下新物理模型百家争鸣的前沿中,一个简单、自洽的统一理论仍未应运而生,对超出标准模型的新物理理论的研究任重而道远。在我们先前的研究工作中,我们通过在标准模型的基础上引入一个希格斯二重态与三个右手中微子单态,尝试把双希格斯二重态模型与跷跷板机制结合起来,进而构造一个新物理模型。我们的目的是通过低能标的跷跷板机制来解释中微子的质量生成与味混合,并利用新的汤川耦合结构来解释在B介子物理中观测到的轻子味普适性的破坏,以及缪子反常磁矩的测量偏差,从而逐渐地发掘出一个统一的新物理模型。虽然我们的目标在唯象上得到了初步实现,然而,要想统一解释中微子的质量生成与味混合、轻子味普适性的破坏以及缪子反常磁矩的测量偏差,我们则需要一个合理的对称性分析,用以从理论上推导出所需要的汤川耦合结构。在本论文中,我们推广了先前构造的新物理模型。首先,我们从一种新颖的味对称性分析方法出发,预言了该模型下汤川耦合矩阵具有Cheng-Sher式结构。然后,基于这样的结构,我们发现中微子的质量生成与味混合、轻子味普适性的破坏以及缪子反常磁矩的测量偏差能够同时得到解释。另外,在该模型框架下,最轻的重中微子可以作为keV能标的暗物质。我们发现,通过freeze-in机制,目前观测到的暗物质残余密度能够经由标量希格斯玻色子的衰变给出。最后,我们讨论了B介子物理过程、轻子味破坏过程以及宇宙X射线背景观测对新物理模型参数空间的限制。本论文由如下章节构成:在第一章中,我们将简要地介绍粒子物理标准模型和当前存在的五个新物理迹象。在第二章中,我们将引入我们的新物理模型,并重点讨论该模型所具有的汤川耦合结构。在第三章中,我们将根据新物理模型下的汤川耦合结构,分别对中微子质量与味混合、轻子味普适性破坏量RD(*)与RK(*)、暗物质的起源以及缪子反常磁矩的测量偏差一一给出解释。然后,我们将讨论来自B介子物理过程、轻子味破坏过程以及宇宙X射线背景观测结果对模型参数空间的限制,从而检验该新物理模型的有效性。最后,我们在第四章中给出结论和展望。


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