第一章 引 言

标准模型(SM) [1]由电弱统一理论和量子色动力学两部分组成，是描述电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用的基本理论。尽管标准模型的正确性经过了大量电弱实验精确检验，被认为是描述三种相互作用的成功理论。但是，模型存在的平庸性、规范等级问题仍没得到解决。同时，标准模型也很难解释实验上的中微子实验数据、暗物质的起源等。因此，人们更倾向认为标准模型理论可能只是存在于低能范围的有效理论，在更高的能量标度上，还需要引入新物理理论进一步进行分析和解释。在寻找新物理理论过程中，出现了很多典型的新物理，例如：超对称理论[2]、小Higgs理论[3][4]、Beautiful Mirrors模型[5]、Topflavor Seesaw模型[6]等。这些新理论的候选者对标准模型进行了各种形式的拓展，这些拓展对进一步理解标准模型，探索自然界的相互作用和基本规律发挥了重要的作用。很多新物理理论都预言存在新粒子。例如，具有T-宇称的最小Higgs (LHT)模型[4]预言存在重费米子、重规范玻色子；Beautiful Mirrors模型预言存在镜像费米子；Topflavor Seesaw模型预言存在重类矢夸克、重规范玻色子等。由于这些新物理模型的典型粒子都是在各自的理论框架下提出的，不同模型给出的新粒子的质量范围、粒子之间的耦合强度和可能的衰变模式等具体性质不尽相同。因此，这些新物理模型涉及的新粒子和新相互作用在高能区域可以产生独特而丰富的新物理现象。研究这些新物理模型的典型粒子的性质是探索标准模型以及新物理模型的良好突破口。所以，对新物理在现在或者将来的高能对撞实验中可能迹象的研究已成为当前物理学家们关注的粒子物理前沿课题之一。如果在高能对撞实验中发现这些新物理的典型粒子的信号，将会对寻找新物理以及区分不同的新物理模型起到非常重要的作用。国际直线对撞机(ILC) [7]和大型强子对撞机(LHC) [8]为实验提供了良好的平台。ILC和LHC性能和特点不同、各有侧重。ILC实验测量的精度较高，并且实验过程中背景干净，易于探测实验的信号。而LHC则具有对撞能量较高、积分亮度大和末态信号丰富的特点，缺点是在碰撞过程中会产生大量的强子背景，需要进一步的信号与背景分析。LHC和ILC在实验上测量的数据会有一定程度上的重叠和交叉，将来自LHC和ILC上测量的结果进行相互补充和对比，可以更准确判断实验所反映的物理本质。

ILC和LHC的重要目标之一就是探索电弱对称性破缺机制和精确检验标准模型以及寻找标准模型之外的新物理。因此，寻找标准模型中的Higgs和其它新物理模型预言的新粒子是ILC和LHC目前的首要任务。全面地分析Higgs粒子的性质，可以为实验上Higgs的搜索和判断新物理模型提供有建设性的指导。最近，ATLAS合作组和CMS合作组发布了Higgs粒子搜索的相关数据，宣布发现了质量约为 126GeV 的类标准模型 Higgs 粒子的信号。通过讨论新物理模型和标准模型框架下Higgs粒子的主要产生和衰变过程中可能出现的各种观测信号，并与LHC实验已探测的信号进行对比，可以进一步判断Higgs粒子的性质和验证新物理模型。分析了 WH的衰变模式，计算了过程的产生截面，并对过程的可能信号和对应的背景进行了具体的蒙特卡罗模拟，给出了过程的S/√B值，对在实验上能否得到 WH的信号进行了分析和讨论。计算结果表明，在重规范玻色子 WH质量不是特别大的情况下，借助于优化的截断，可能会在LHC实验中观察到重规范玻色子 WH的信号。

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第二章 新物理模型回顾

2.1具有T-宇称的最小Higgs (LHT)模型

Arkani-Hamed等人在小Higgs模型的基础上建立的最小Higgs (LH)模型解决了Higgs粒子质量中存在的单圈阶二次发散问题[9]，但是LH模型存在破缺能标过高[10–12]、需要再次精细调节模型参数的问题[13]。为了解决LH模型的问题，理论物理学家在LH模型中加入一个分立的“T-宇称” [4]，把包含分立“T-宇称”的LH模型称为LHT模型。LHT模型为标准模型费米子提供相应的镜像费米子来保持T-宇称守恒，镜像轻子和镜像夸克具有T-odd宇称，标准模型粒子具有T-even宇称。重规范玻色子提供的树图阶贡献被模型中T-宇称守恒禁止，而且不为零的三重态标量场的贡献也被T-宇称抵消。因而，LHT模型仅在圈图层次提供对电弱精确测量的修正贡献。相对于树图阶所受的实验约束，圈图阶所受的实验约束要宽松很多，并且也有效的消除了精细调节[3]。下面我们对LHT模型的结构做一个简要的介绍。

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2.2 Beautiful Mirrors模型

标准模型对粒子物理进行的很多描述都得到实验数据的验证。但是b夸克的前后不对称性 AbF B的实验观测值和标准模型的预测仍然存在很大的偏离[22]。对待b夸克的前后不对称性 AbF B和精确测量数据，大体上有三种观点：  一种观点认为 b 夸克的前后不对称性 AbF B的实验值和理论值的偏离只是一种统计效应或系统的不确定性，通过合理的调节其它的精细测量物理量就可以使标准模型吻合于Higgs的质量和实验直接搜索的结果。  另一种观点认为 b 夸克的前后不对称性 AbF B本身并不能反映新物理的存在，但是存在新物理会使 MH的理论预言值和实验测量值偏差更小。因为在这种情况下，新物理会对弱电参数提供贡献[23][24]。  第三种观点认为 b 夸克和 Z 玻色子的耦合自身就显示新物理的存在[5][25][26]。在该观点的启示下，文献[5]引入了Beautiful Mirrors模型。

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第三章 对撞机和标准模型中的Higgs简介....... 20

3.1 ILC和LHC简介....20

3.2 LHC上Higgs的产生....... 22

3.3标准模型中Higgs的衰变......... 25

第四章LHT模型中镜像轻子和 γ(Z) 在 ILC 上的联合产生.....28

4.1 LHT模型中镜像轻子的研究现状...... 28

4.2过程 e+e → γLiLj的计算........31

4.3过程 e+e → ZLiLj的计算.... 37

4.4小结...... 43

第五章LHT模型中质量为125GeV的Higgs粒子的产生和衰变........44

5.1研究背景........ 44

5.2 LHT模型中Higgs的产生和衰变...... 44

5.3数值结果与分析..... 48

5.4小结...... 54

第七章LHC上荷电重规范玻色子和top夸克的联合产生

很多新物理理论，如小Higgs理论[9]以及其它一些标准模型拓展理论[125–128]都预言存在重规范玻色子 WH。文献[129]通过引入质量小于TeV量级 WH来解释Tevaron上 AtF B反常；文献[130]引入 WH来解释CDF合作组观察的 W + jj 事例超出[131]。实验上也持续关注荷电重规范玻色子存在的可能性，ATLAS和CMS通过测量 pp → WH→ lν 过程分别给出了重规范玻色子的不同质量下限[132][133]。同时，CMS通过测量 pp → WH→ WZ 过程给出了另一组质量下限[134]。Topflavor seesaw模型是产生重top夸克质量的简练机制。同时，Topflavor see-saw模型预言存在很多新粒子，如类矢夸克(T, B)、重规范玻色子(WH, ZH)和Higgs(h0, H0)等。在Topflavor seesaw模型中，重规范玻色子 WH/ZH和轻费米子的耦合被压低因子 x，而 WH/ZH和三代重费米子的耦合被提高大约一个因子 1/x，显示出和其它新物理模型截然不同的特征。由于不同的模型对应不同的规范结构，来自实验的限制也会有不同程度放松。在Topflavor seesaw模型中，当耦合因子 x 较小时，对WH的质量限制就会变得较弱[132–135]。在混合角 0.1π ≤ α ≤ 0.2π、MH0≤ 800GeV时，电弱精确实验对Topflavor seesaw模型的约束要求在 95% 置信度下重规范玻色子质量 MWH≥ 0.4 ～ 1TeV 。Topflavor seesaw 模型中轻 Higgs 粒子h0(Mh0= 125GeV )衰变到V V 道时(V=γ、Z或者W)时，在一定的参数范围内，胶子聚合过程的σ×Brσ×Br值和LHC测量结果比较接近[6][136][137]。在综合考虑h0→ V V 和h0→ bˉb, τ τˉ之后，混合角 α ≈ 0.13π、重规范玻色子 WH质量为MWH= 0.85T eV 时，整体拟合的结果(Mh0=125GeV )和ATLAS吻合较好[6] [136]。在 95% 置信度下，混合角 α ≈ 0.16π、重规范玻色子 WH质量为MWH= 1.33T eV 时，整体拟合的结果(Mh0= 125GeV )和ATLAS以及CMS的结果比较吻合[136][6][137]。在LHC上 发现类标准模型Higgs信号使我们对实验上发现重规范玻色子的信号充满期待，而且，对重规范玻色子的研究也会对发现新的规范群和电弱对称破缺机制提供线索。

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结论

标准模型对粒子物理的很多描述都得到实验数据的验证，但是标准模型理论本身仍存在许多问题，对有些问题还不能给出合理的解释，需要引入新物理进一步进行分析。在诸多新物理理论模型中，本文我们主要关注LHT模型、Beautiful Mirrors模型以及Topflavor Seesaw模型。这些新物理模型都预言存在一些典型新粒子，诸如LHT模型预言存在镜像轻子(LH)、镜像夸克(QH)、重夸克(T+, T )、重规范玻色子(AH, ZH, W±H)和重的标量粒子； Beautiful Mirrors 模型预言存在重夸克(B′, χ)；Topflavor Seesaw 模型预言重类矢夸克 (T, B)，重规范玻色子 (ZH, W±H)等。目前，新物理在现在或者将来高能对撞实验上的可能物理迹象成为广为关注的粒子物理前沿研究方向之一，因此，在高等对撞机上研究这些典型新粒子可能存在的信号对新物理的研究特别有意义。LHC目前已成功运行并取得了令人瞩目的实验数据，同时，TeV能级的ILC也正在积极的筹划之中，这些高能对撞机为理论研究提供了强大的技术手段和数据支持。在LHC和ILC上研究一些典型新粒子可能存在的信号对新物理的研究特别有意义。基于ILC和LHC的工作性能，结合一些具体的物理过程，我们对LHT模型、Beautiful Mirrors模型和Topflavor Seesaw模型中新粒子在ILC和LHC上可能存在的信号进行了具体的讨论。

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参考文献（略）