高能对撞机上H0W+W-耦合和J/ψ伴随W/Z产生的精确研究

论文摘要

标准模型虽然取得了巨大的成功,但是它所预言的Higgs粒子一直没有找到。为了研究电弱对称性破缺机制,寻找Higgs粒子以及研究它的耦合性质,是目前和将来高能物理对撞机实验的最重要的目标之一。其中,研究Higgs的耦合特性是重建Higgs势的关键,这也将为确定标准模型以外的新物理模型提供有力的理论依据。在本文中,我们分别计算了大型强子对撞机（LHC）和国际直线对撞机（ILC）上Higgs与W对伴随产生过程的NLO QCD和电弱辐射修正,并且给出了次领头阶的总截面,以及末态粒子横动量和不变质量的分布等精确的理论预言。我们发现在LHC上,NLO QCD修正达到了50%,ILC上的NLO电弱修正最大也达到了负的百分之十几,这么显著的NLO修正的效应在将来的实验上是必须要考虑的。通过精确的理论预言,我们为LHC和未来的ILC上研究Higgs与W玻色子耦合特性的精确实验提供了理论支持。在NLO QCD修正的计算中,红外发散的处理是一个难点。这里,我们采用维数正规化来分离红外发散。其中,圈图中的红外发散,我们给出了解析的表达式,对于实辐射部分,我们采用两截断相空间分割（TCPSS）的方法进行了处理。重夸克偶素的衰变和产生的研究一直是粒子物理中的一个热点和前沿问题。非相对论量子色动力学（NRQCD）的因子化方法是目前许多研究重夸克偶素产生的理论工作中一个比较好的方法。NRQCD理论一个重要的特点是预言了色八重态的存在,并且非微扰部分的长程矩阵元不依赖于具体过程,具有普适性。J/ψ与W/Z玻色子伴随产生的过程,色八重态的贡献占主要地位,所以可以用来进一步检验色八重态机制和提取普适性的色八重态的长程矩阵元。另外,W,Z和J/ψ粒子都是通过纯轻子衰变来鉴别,这样可以大大压低强子对撞机上复杂的背景信号。最近,人们发现NLO QCD修正的贡献非常重要,通过次领头阶的计算,许多试验结果得到了很好的解释。在本文中,我们研究了LHC上J/ψ伴随W,Z粒子产生的（αs3v7）阶的贡献,给出了J/ψ粒子横动量的分布和对应的K-因子。在pp→J/ψ+ W + X过程的计算中,我们发现只有同时考虑了短程部分和长程矩阵元次领头阶的贡献后,该过程中出现的红外发散才可以完全消除。本论文研究中的主要创新之处如下:本文首次系统的研究了高能对撞机上H0W+W?伴随产生的过程,分别计算了LHC和ILC上该过程的QCD和电弱单圈修正,得到了该过程目前最精确的理论预言,这对于检验Higgs与W粒子的耦合性质有重要意义,为将来LHC和ILC上研究H0W+W?的产生信号提供了理论支持。在计算NLO QCD修正时,对于标量积分函数中的红外发散,我们采用了维数正规化（D = 4?2?）来分离红外发散,给出了包含红外发散的两点,三点,四点的标量积分函数的解析表达式。我们首次把这些解析结果添加进圈图计算的程序中,并且应用到其它的NLO QCD的计算过程。本文在NRQCD的理论下,我们首次研究了LHC上J/ψ与规范粒子W/Z伴随产生αs3v7阶的贡献,为研究色八重态机制和提取色八重态的长程矩阵元提供了理论支持。这里,我们统一采用维数正规化来处理紫外和红外发散。由于红外发散的种类比较复杂,我们完整的分析并给出了各部分红外发散相互消除的关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 粒子物理相关理论介绍
• 1.1 标准模型简介
• 1.1.1 标准模型的建立
• 1.1.2 标准模型的拉氏量
• 1.2 NRQCD 理论的介绍
• 1.2.1 重夸克偶素物理中的能标
• 1.2.2 NRQCD 拉氏量的构造
• 1.2.3 NRQCD 中的速度能标规则和Fock态的展开
• 1.2.4 重夸克偶素的产生和衰变
• 第二章 单圈辐射修正的计算
• 2.1 标准模型中的重整化
• 2.1.1 标准模型电弱部分重整化
• 2.1.2 标准模型QCD 部分重整化
• 2.2 红外发散和库仑发散的处理方法
• 2.2.1 圈图的红外发散和库仑发散的分析
• 2.2.2 实辐射中红外发散的处理
• 2.2.3 长程矩阵元（？） 的重整化
• 第三章 Higgs 与 W 对伴随产生的单圈精确计算
• 3.1 高能对撞机
• 3.1.1 大型强子对撞机（LHC）
• 3.1.2 国际直线对撞机（ILC）
• 3.2 背景介绍
• 3.3 ILC 上Higgs 与W 对伴随产生的电弱单圈辐射修正
• +e^-→H⁰W+W^- 过程的树图截面的计算'>3.3.1 e⁺e^-→H⁰W+W^-过程的树图截面的计算
• +e^-→H⁰W+W^- 过程的虚修正和实辐射修正'>3.3.2 e⁺e^-→H⁰W+W^-过程的虚修正和实辐射修正
• 3.3.3 数值运算和讨论
• 3.4 LHC 上Higgs 与W 对伴随产生的QCD 修正
• 3.4 LHC 上 Higgs 与 W 对伴随产生的 QCD 修正
• 3.4.2 QCD NLO 修正
• 0W+W^-+ X QCD 修正的总截面'>3.4.3 pp → H⁰W+W^-+ X QCD 修正的总截面
• 3.4.4 数值运算结果和讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 LHC 上J/ψ与规范玻色子伴随产生的研究
• 4.1 LHC 上J/ψ与W 伴随产生的QCD 修正
• 4.1.1 pp →J/ψ+ W + X 过程LO 的截面的计算
• 4.1.2 pp →J/ψ+ W + X 过程NLO QCD 修正
• 4.1.3 数值运算和讨论
• 4.2 LHC 上J/ψ与Z0 玻色子伴随产生QCD 修正
• 0 + X 过程LO 的计算'>4.2.1 pp →J/ψ+ Z⁰ + X 过程LO 的计算
• 0 + X 过程的NLO QCD 修正'>4.2.2 pp →J/ψ+ Z⁰ + X 过程的NLO QCD 修正
• 4.2.3 数值运算和讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 附录A 四点以下标量积分公式
• A.1 一点标量积分
• A.2 两点标量积分
• A.3 三点标量积分
• A.4 四点标量积分
• 附录B 软积分公式
• 附录C 双极点函数和减除项
• C.1 末态“参与者”与末态“旁观者”
• C.2 末态“参与者”与初态“旁观者”
• C.3 初态“参与者”与末态“旁观者”
• C.4 初态“参与者”与初态“旁观者”
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果