（理论物理专业论文）大型强子对撞机lhc上中微子质量产生机制的唯象学研究.pdf

摘要 摘要 粒子物理标准模型自建立以来已经被证明是非常成功的理论模型。然而， 物质质量的起源仍是一个未知的基本问题，而且我们希望统一自然界中的各种 基本作用力。标准模型中负责电弱对称破缺的轻h i g g s 导致了精细调节问题，而 且它无法统一电弱和强作用，这都意味着标准模型只是一个不完全的低能有效 理论，t e v 能标下一定存在新的自由度可能在高能碰撞中出现。另一方面，来 自中微子和暗物质的实验观测也强烈支持存在超出标准模型以外的新物理。特 别的，太阳和大气中微子振荡实验揭示中微子具有非零质量并且彼此混合，这 是目前证实存在最小标准模型以外新物理的第一个证据。这一发现启发人们投 入大量努力来探索这一新物理的本质。在这方面的进展中，带有大标度轻子数 破坏的所i 胃s e e s a w 机制是最具吸引力和自然性的中微子质量产生机制。然而传 统的s e e s a w 精神在于存在一个非常高的能标a 一1 0 1 4 - 1 5g e v ，意味着在将来的 实验中无法检验这种机制预言的新物理态。 欧洲核子中一b ( c e r n ) 即将在2 0 0 9 年运行的大型强子对撞机l h c 将把我们带 入一个前所未有的高能量高亮度的新物理时代，并使我们有机会探测t e v 能标 下的新物理。因此研究l h c 在探测t e v 能标下中微子质量产生新物理机制方面 的能力是非常紧迫的。我们在本文中调查了两个有着极强物理动机的中微子质 量产生机制在t e v 能标l h c 上检验的可能性： 1 t y p ei is e e s a w ，这种机制在标准模型以外引入了一个h i g g s _ - - - 重态。我们 系统研究了模型的参数空间。受中微子振荡实验指引，我们首先通过重新产生 轻中微子质量和混合方式来建立允许的参数范围。然后我们预测了l h c 上的相 关信号。我们发现在乐观的参数空间，通过分辨带电h i g g s 玻色子轻子数破坏 衰变过程的味道结构，可以区分中微子质量的正常级差，反常级差和类简并模 式。我们强调单电荷h i g g s 玻色子衰变的关键角色。h 士士日千的联合对产生对检 验h i g g s 场的三重态性质是非常关键的。发现日+ _ t + p 或日+ _ e + p 将会是强 有力的检验，因为它们不依赖于未知的m a j o r a n a 相角。结合双电荷h i g g s 衰变， 例如日+ + _ e + “+ ，e + 7 + ，矿7 - + ，我们将可能提取出m a j o r a n a 相角。我们仔细研 究了上述所有方面，给出在l h c 上检验这种有趣的中微子质量产生机制的所有 可能性。 2 一种基于s u ( 5 ) 规范对称性的简单大统一理论，它预言了t e v 能标轻 摘要 子夸克态( 1 e p t o q u a r k ) 的存在，这种标量物理态同时携带轻子和重子数。在 这个理论中s ( 5 ) 对称性意味着l e p t o q u a r k 与物质场的耦合是与中微子质量矩 阵相联系的。我们研究了中微子质量，混合参数和l e p t o q u a r k 衰变之间的关 系。我们给出如何通过在具体l e p t o q u a r k 衰变道中发现相应轻子来区分中微 子质量谱。相关的来自于轻子味道破坏，介子衰变和电弱精细数据的低能 限制也被讨论。l e p t o q u a r k 在l h c j 亡不同的产生机制和信号也被仔细研究。通 过区分发现事例的轻子味道组成，我们可以进一步检验模型对中微子质量 谱的预言。特别的，b 味道的确认对区分中微子质量谱和提取反常级差下未 知m a j o r a n a 相角是非常有用的。虽然比率比较小，但l e p t c h q u a r k 二重态的电弱 联合产生对确定l e p t o q u 砌【量子数和区分中微子质量谱也是非常有用的。这 种l e p t o q u a r k 在l h c j 2 1 拘发现可能在一个基本层面上检验有吸引力的中微子产生 机制，并给出对一种大统一可能候选理论的理解。 关键词：大型强子对撞机新物理中微子质量轻子夸克态 一一 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t a n d a r dm o d e l ( s m ) o fe l e m e n t a r yp a r t i c l ep h y s i c sh a sb e e np r o v e dt ob ea r e m a r k a b l es u c c e s s f u ld e s c r i p t i o no fh i g he n e r g yp h y s i c sp h e n o m e n a h o w e v e r , t h e o r i g i no fm a t t e rm a s si ss t i l la l lu n k n o w nf u n d a m e n t a lp r o b l e ma n d w eh o p et ou n i f y t h ee l e m e n t a r yf o r c e si nn a t u r e i ns mt h el i g h th i g g sr e s p o n s i b l ef o re l e c t r o w e a k s y m m e t r yb r e a k i n gl e a d st o f i n e - t u n i n gp r o b l e m a n di t sf a i l u r et ou n i f ye l e c t r o w e a k a n ds t r o n gf o r c e si m p l yt h a tt h es t a n d a r dm o d e li sa ni n c o m p l e t e “l o w e n e r g y ”e f f e c - t i v et h e o r y , t h e r em u s tb en e wd e g r e e so ff r e e d o mt h a tm a n i f e s tt h e m s e l v e si nh i g h e n e r g yc o l l i s i o n sa tt h et e ve n e r g ys c a l e t h e r ea r e ，o nt h eo t h e rh a n d ，s 仃o n gr e a s o n s f r o mn e u t r i n oa n dd a r km a t t e ro b s e r v a t i o n st os u s p e c tt h a tt h e r ei sag o o dd e a lo fn e w p h y s i c sb e y o n dt h es t a n d a r dm o d e l p a r t i c u l a r l y , t h ed i s c o v e r yo ff l a v o rc o n v e r s i o n o fs o l a ra n da t m o s p h e r i cn e u t r i n o sh a se s t a b l i s h e dt h a tn e u t r i n o sh a v en o n z e r om a s s a n dt h e ym i xa m o n gt h e m s e l v e s ，t h e r e f o r ep r o v i d i n gt h ef i r s te v i d e n c eo fn e wp h y s i c s b e y o n dt h es t a n d a r dm o d e l t h i sd i s c o v e r yt r i g g e r se n o r m o u st h e o r e t i c a la c t i v i t yt o u n c o v e rt h en a t u r eo ft h i sn e wp h y s i c s a f t e ra l lr e c e n td e v e l o p m e n t s ，t h es o - c a l l e d s e e s a wm e c h a n i s mw i t hal a r g es c a l eo fl e p t o nn u m b e rv i o l a t i o n ss t i l la p p e a r st ob et h e m o s ta p p e a l i n ga n dn a t u r a lm e c h a n i s mo fn e u t r i n om a s sg e n e r a t i o n h o w e v e rt r a d i t i o n a ls e e s a ws p i r i tr e s i d e si nt h ee x i s t e n c eo fam u c hh i g h e rs c a l ea 一1 0 1 4 1 5g e v 。 r e n d e r i n gt h en e ws t a t e se x p e r i m e n t a l l yi n a c c e s s i b l ei nt h ef o r e s e e a b l e f u t u r e t h el a r g eh a d r o nc o l l i d e r ( l h c ) a tc e r nc o m i n go n l i n ei n2 0 0 9w i l ls o o nt a k e u st oan e wf r o n t i e rw i t hu n p r e c e d e n t e dh i g he n e r g ya n dl u m i n o s i t ya n do p e ng r e a t o p p o r t u n i t i e st oe x p l o r en e wp h y s i c sa tt h et e vs c a l e i ti st h u sp r e s s i n gt os t u d yt h e p h y s i c sp o t e n t i a lo ft h el h c i nc o n n e c t i o nw i t ht h en e wp h y s i c sf o rt h en e u t r i n om a s s g e n e r a t i o na tt e v s c a l e t h e r e f o r ew ei n v e s t i g a t eh e r et h ep o s s i b i l i t yt ot e s tt w ow e l l - m o t i v a t e dm e c h a n i s m sf o rn e u t r i n om a s sg e n e r a t i o na tt h el h c ： 1 b p e - s e e s a w , i nw h i c hah i g g st r i p l e ti si n t r o d u c e dw i t ht e vs c a l em a s s w e s y s t e m a t i c a l l ye x p l o r et h ep a r a m e t e rs p a c ei nt h em o d e l g u i d e db yt h en e u t r i n oo s c i l l a t i o ne x p e r i m e n t s ，w ef i r s te s t a b l i s ht h ep r e f e r r e dp a r a m e t e rr e g i o n sb yr e p r o d u c i n g t h el i g h tn e u t r i n om a s sa n dm i x i n gp a t t e r n s w et h e ng oo nt op r e d i c tt h ec o r r e s p o n d - i n gs i g n a t u r e sa tt h el h c w ef i n dt h a ti nt h eo p t i m i s t i cs c e n a r i o s ，b yi d e n t i f y i n gt h e f l a v o rs t r u c t u r eo ft h el e p t o nn u m b e rv i o l a t i n gd e c a y so ft h ec h a r g e dh i g g sb o s o n s ，o n e c a ne s t a b l i s ht h en e u t r i n om a s sp a t t e r no ft h en o r m a lh i e r a r c h y , i n v e r t e dh i e r a r c h yo r q u a s i d e g e n e r a t e w ee m p h a s i z e t h ec r u c i a lr o l eo ft h es i n g l yc h a r g e dh i g g sb o s o nd e - 一一 a b s t r a c t c a y s t h ea s s o c i a t e dp a i rp r o d u c t i o no fh 4 - 4 - h 千i se s s e n t i a lt ot e s tt h et r i p l e tn a t u r eo f t h eh i g g sf i e l d t h eo b s e r v a t i o no fe i t h e rh + _ 7 + 矿o rh + 一e + 护w i l lb e p a r t i c u l a r l y r o b u s tf o rt h et e s ts i n c et h e ya r ei n d e p e n d e n to ft h eu n k n o w nm a j o r a n ap h a s e s c o r n - b i n i n gw i t ht h ed o u b l yc h a r g e dh i g g sd e c a y , f o ri n s t a n c eh + + 叶e + p + ，e + 丁+ ，p + 7 - + ， o n ew i l le v e nb ea b l et op r o b et h em a j o r a n ap h a s e s w ei n v e s t i g a t ei ng r e a td e t a i la l lt h e i s s u e sm e n t i o n e da b o v e ，s h o w i n ga l lt h ep o s s i b i l i t i e st ot e s tt h i sa p p e a l i n gm e c h a n i s m f o rt h en e u t r i n om a s s e sa tt h el a r g eh a d r o nc o l l i d e r 2 as i m p l eg r a n du n i f i e dt h e o r yb a s e do nt h es u ( 5 ) g a u g es y m m e t r y , w h i c h p r e d i c t st h eg e n e r i ce x i s t e n c eo ft e vs c a l el e p t o q u a r k st h a tc a r r yb o t hl e p t o n - a n d b a r y o n - n u m b e r s i nt h i st h e o r yt h es u ( 5 ) s y m m e t r yi m p l i e st h a tt h el e p t o q u a r kc o u p l i n g st om a t t e ra r er e l a t e dt ot h en e u t r i n om a s sm a t r i x w es t u d yt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nn e u t r i n om a s s e s ，m i x i n gp a r a m e t e r sa n dt h el e p t o q u a r kd e c a y s w es h o wh o w o n ec o u l dd i s t i n g u i s hb e t w e e nt h en e u t r i n om a s ss p e c t r ab yo b s e r v i n gt h ec o r r e s p o n d i n gl e p t o n si nt h es p e c i f i cl e p t o q u a r kd e c a yc h a n n e l s r e l e v a n tl o w - e n e r g yc o n s t r a i n t s c o m i n gf r o ml e p t o nf l a v o u rv i o l a t i o n ，m e s o nd e c a y sa n de l e c t r o w e a kp r e d i c t i o nd a t a a r ed i s c u s s e d t h ed i f f e r e n tp r o d u c t i o nm e c h a n i s m sa n dt h es i g n a lo b s e r v a b i l i t yf o r t h el e p t o q u a r ka tt h el h ca r es t u d i e di nd e t a i l b ye x a m i n i n gt h el e p t o nf l a v o rs t r u c - t u r eo ft h eo b s e r v e de v e n t s ，o n ec o u l df u r t h e rt e s tt h em o d e lp r e d i c t i o no nt h en e u t r i n o m a s ss p e c t r u m i np a r t i c u l a r , t h eb - f l a v o rt a g g i n gw i l lb ev e r yu s e f u lt oh e l pd i s t i n g u i s h t h en e u t r i n om a s sp a t t e r n ，a n dt op r o b ea l lu n k n o w nm a j o r a n ap h a s ei nt h e “i n v e r t e d h i e r a r c h y ”s c e n a r i o t h ed i s c o v e r yo ft h e s el e p t o q u a r k sa tt h el h c c o u l dt e s tt h i sa p p e a l i n gs c e n a r i of o rn e u t r i n om a s sg e n e r a t i o na ta f u n d a m e n t a ll e v e l ，a n dg i v eu sah i n t a b o u tap o s s i b l ec a n d i d a t et h e o r yf o rg r a n du n i f i c a t i o n k e yw o r d s ：l a r g eh a d r o nc o l l i d e r n e w p h y s i c s n e u t r i n om a s s l e p t o q u a r k 一一 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 零碡 b 。莎年i 月工日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：李磋 1 口d 占年月2 7 日 一臻荨骊丽萧- 本孚位琵嫣手葆酊茬 年解密后适用本授权书。 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 第一章引言 第一章引言 二十世纪六、七十年代建立的粒子物理标准模型( s m ) 是一个自洽的、可重 整化的量子场理论【l - 4 】。它涵盖了1e v 一1 0 0g e v 能量区间的物理内容，自建 立以来已经从理论和实验两方面被证明是非常成功的理论模型。但是现在的物 理学家普遍认为标准模型只是一个不完全的低能有效理论，得出这样的结论同 样也有实验和理论两方面的根据，在实验方面： 太阳和大气中微子振荡数据支持中微子具有质量，而标准模型( 至少在最 小标准模型) 中的中微子是没有质量的； 对大爆炸以来剩余微波背景波谱的研究支持宇宙中存在冷暗物质，而这种 物质在标准模型中没有侯选者； 在大红移尺度发现的i a 型超新星和宇宙微波背景辐射都支持宇宙的大量能 量堆积可以形成所谓暗能量的物质； 存在引力，而在现有理论框架中引力是不可以重整化的，因而不能 用y a n g m i l l s 理论描述，引力的量子化就成了很大的困难。 在理论方面： 我们缺乏对粒子质量和混合机制的理解，这导致了标准模型中众多的引入 参数； 标准模型规范群和粒子表示都是来源于唯象上的特定选择； 虽然我们通过引入新的标量场可以实现电弱对称性的自发破缺，但是我们 不得不借由一个特定的标量势来“手动”的实现这一点，换句话说，没有 理由支持为什么h i g g s 场质量参数的平方是负的。也就是说，基本标量场 的真空期待值是否是电弱对称破缺的起源还有待检验。 除此之外，如果我们考虑物理h i g g s 玻色子质量的单圈修正： m m ( p h y s ) 竺m m + 矗a 2 ， ( 1 1 ) 其中m 氖m 是拉氏量中的h i g g s 质量平方参数，第二项是二次发散i 拘h i g g s 自 相互作用修正。原则上，在写( 1 1 ) 式的时候只积掉了我们期望标准模型能 提供合理描述的能动量区间，换句话说，我们将截断a 理解为标准模型不 第一章引言 再是有效相互作用的能标。能标a 可能是几个t e v ，但不会超过普朗克能 标m p l 竺2 4 1 0 1 s g e v ，也就是量子引力修正变得重要的能标。另外，微 扰幺正性告诉我们物理h i g g s 玻色子质量矾氖m ( p h y s ) 不会超过几百个g e v l 5 。 那么，如果我们假设标准模型是低于大统一( g u t ) 能标的低能有效理论并 取a = m g u t 一1 0 1 6 g e v ，拉氏量质量参数m 2 隰就不得不被调节为1 0 2 6g e v 2 量 级并使两个大项抵消来得到物理的h i g g s 质量。这一不自然的结果就是标准模型 的精细调节问题( f i n e - t u n i n gp r o b l e m ) 。出现这一问题究其原因是由于缺少一种 类似规范对称性或手征对称性的对称性来禁止标量大质量项的出现。而我们自 然也会问如果理论中存在一个轻h i g g s 玻色子，所允许的最大质量阈值是多少? 如果我们考虑与h i g g s 耦合常数c 1 的费米子或规范玻色子圈修正，自然会得 到人0 ( t e v ) 。如果我们把这个问题严重化，就会得到这样的结论：t e v s 匕标 一定存在新的自由度并且可能在高能碰撞中被观测到。理论物理学家们或者从 试图回答电弱对称破缺来源究竟为何的角度，或者从解决标准模型精细调节问 题的角度，又或者是从解释实验上超出标准模型新发现的角度建立并发展了多 种理论物理模型来回答上述问题，并预言t e v 能标下的新物理： 在p o i n c a r 6 群上唯一性的扩充生成元为反对易旋量荷q a 的另一种时空对称 性，超对称( s u p e r s y m m e t r y ) 6 。它使得玻色子和费米子的性质关联起来， 每个标准模型玻色子( 费米子) 都有未知的费米子( 玻色子) 的超对称伴子。 这样的超对称粒子作为新的微扰耦合自由度来抵消标准模型的二次发散， 换句话说手征对称性限制费米子质量的同时也限制了标量场二次发散的质 量项； 自然界不存在基本标量场( 因此也就不存在相应的精细调节问题) ，而 是束缚的费米子混合态充当- j h i g g s 玻色子的角色。这是所谓人工色模 型( t e c h n i c o l o r ) 【7 】，它假设有通过渐近自由，类似q c d 的人工色相互作用 在t e v 能标束缚在一起的新的人工费米子； 引力作用在弱作用能标附近变强，这个动机可以解释引力和规范相互作 用明显的大小不同。具体说来，可以假设有大小为腹m p l 的另外的紧 致空间维度，并且引力相互作用遍部在所有这些维度中。这样的额外维 度( e x 仃ad i m e n s i o n ) 可以在能标尬引力作用变强的粒子碰撞中探测【8 】。 在这样的机制中，( 1 1 ) 式的截断a 一并且如果尬一o ( t e v ) 的话，就 不存在精细调节问题： 等等。显然，这些新物理模型都有着极强的物理动机，但自然界的真相到底如 一2 一 第一章引言 何还需要实验上的仔细检验。 在过去的几十年中，高能加速器和对撞机已经成为我们发现新粒子和 检验基本相互作用理论的主要工具【9 ，1 0 】。如今，准备已久的大型强子对撞 机l h c 即将开始运行。被人们寄与厚望的l h c 和计划中的国际线性对撞机几c 将 使得我们在接下来的至少二十年中可以完整探测电弱能标物理和探索超越标 准模型的相互作用。物理学家们期待的激动人心的新发现包括电弱对称破缺 机制的来源、费米子质量产生和混合机制的来源、新的基本对称性诸如超对 称( s u s y ) 和大统一( g u t s ) ，甚至探测是否存在额外维或低能弦效应，和相关的 宇宙学现象诸如暗物质、暗能量和重子数与c p 不对称性等等。对撞机唯象学扮 演着理论和实验之间桥梁的关键作用。一方面，人们惯于架设理论模型并展现 它们在实验上可发现的具体结果。另一方面，人们也需要解释从实验得来的数 据并试图理解它们的物理含义。因此，这个时代的唯象物理学家们也就自然而 然地需要接受并应用理论与实验两方面的知识。 尽管理论物理学家们建立了以上各种超越标准模型的新理论，但至今 还没有任何模型预言的任何新粒子在加速器或对撞机上被发现。而我们注 意到中微子振荡是目前地球上证实存在超越最小标准模型以外新物理的 第一个实验结果，因此从解释中微子质量和混合机制出发打开发现新物 理信号的窗口是最直接、最快捷的途径，这一课题引起了众多物理学家 的关注【1 1 】。早在七十年代末，w e i n b e 昭就指出在标准模型框架内，只有一 种五维算子( x a ) l 屯日日可以使中微子产生质量( 其中屯和日是轻子和h i g g s 左 手s u ( 2 ) 二重态) 【1 2 】，在电弱对称性破坏( e w s b ) 后，m a j o r a l l a 中微子的质量 为m p k v g h ，其中咖2 4 6g e v 是标准模型h i g g s 真空期待值( v e v ) 。如果a ，那么“跷跷板 ( s e e s a w ) 原理可以解释很小的中微子质量m ，焉1e v 。假 设五维算子前面的耦合k 是p ( 1 ) ，那么实验测到的中微子质量【1 l 】给出a 1 0 “_ 1 5g e v 。为了理解中微子质量的起源，关键问题是理解这个算子在某种标 准模型扩展中的来源，从而得到无标度耦合k 和新物理发生的能标a 。因此这个 五维算子指导我们去需要寻找可能产生中微子质量的可重整的标准模型扩展。 目前主要有四种通过增加一种或者两种额外场来产生与实验吻合的中微子 质量的标准模型可重整化扩展： t y p eis e e s a w 机制【1 3 】：我们可以增加至少两个费米子单态m 得到中微 子质量m ，一可刍诟蛳，其中如是y u k a w a 耦合常数，m n 是右手中微子质 量，它给出新物理能标a ) 。如果y d 型l 并且m n 1 0 1 4 1 5g e v ，我们得到 一3 一 第一章引言 中微子质量中心值m 1e v 。 耐p ei is e e s a w 机制【1 4 】：在标准模型基础上增加一个左手s u ( 2 ) h i g g s - _ _ 三重 态。在这种情况下中微子质量m p 匕口，其中 是三重态中中性分量 的真空期待值，k 是y u k a w a 耦合。并且e w s b 会给出关系v 一u v 3 m i ， 其中姚是三重态质量，弘是标准模型h i g g s 和三重态的三体耦合系数。 这里能标a 被啤肛代替。因此如果三重态处于s e e s a w 能标，即姚 1 0 1 4 - 1 5g e v ，且k l 和p m a ，我们就可以得到中微子质量中心值。 t y p ei i is e e s a w 机制【1 5 】：这种情况下增加至少两个具有0 超荷的s 矿( 2 ) l 伴 随表示下的物质场，我们可以得到中微子质量m ，一y 2 砣m 。因此在这种 机制下a 被伴随表示下额外费米子质量m 代替； 混合s e e s a w 机制【1 6 】：这种情况下增加两个额外场，一个标准模型费米子 单态和一个s v ( 2 ) l 伴随表示下的费米子。这种机制是一种t y p ei 和t y p e 1 is e e s a w 的混合机制。这种机制对大统一理论有非常简单而独特的理 解【1 6 】。 在左右对称模型下【1 7 】，t y p ei 和t y p e i is e e s a w 同时存在。另外中微子质量也可 以通过辐射修正得n e l s 】。 为了检验以上s e e s a w 机制，我们需要寻找模型中预言的轻子数破坏效应。 当然，直接发现负责s e e s a w 机制的新多重态会更有说服力。而根据以上总结 我们可以看出s e e s a w 的精神在于存在一个非常高的能标人如，导致新物质 态在不久的将来的实验上很难被观测到，但这点可能不是必然的。最近的 文献【1 9 】研究了s e e s a w 机制可能发生在一个非常低的能标。特别的，负责时p e i is e e s a w 机制的轻s v ( 2 ) l 三重态场可能存在于最简单大统一理论中【2 0 】。低能 标t y p ei i is e e s a w 也被研究过【2 l 】。 c e r n 的大型强子对撞机c l h c ) 很快会把我们带入一个新的高能量高亮度的 物理时代。人们期待发现激动人心的新物理现象。研究l h c 在探寻产生中微子 质量新物理方面的能力是非常紧迫的。在强子对撞机上寻找重m a j o r a n a q b 微子 已经被许多作者考虑过【2 2 】，包括在l h c 上的研究 2 3 - 2 5 。然而，我们相信任 何信号都意味着存在一个简单t y p eis e e s a w 之外的更微妙的机制，即在和标 准模型轻子之间存在小的混合瑶，一m p m n 。 在本文中，我们检验在l h c 上发现s e e s a w 能标在t e v 左右的产生中微子 质量的一种特别理论，也就是t y p ei is e e s a w 机n 1 4 的可能性。几个之前对 一4 一 第一章引言 在l h c 上耐p ei is e e s a w 模型特定方面的研究见文献 2 6 - - 3 1 。我们系统研究了模 型中的参数空间。受中微子振荡实验指引，我们首先通过产生轻中微子质量和 混合模式来建立有利的参数空间。然后研究了在l h c 上的相应信号。我们发现 在乐观的参数空间下，通过分辨带电h i g g s 玻色子轻子数破坏衰变的味道结构， 我们可以区分中微子质量的正常级差，反常级差和类简并模式。我们强调了单 电荷h i g g s 玻色子衰变的关键角色。联合对产生日士士日千对检验h i g g s 场三重态性 质是非常必要的。发现日+ _ 下+ 影或者日+ _ e + d 将对中微子质量谱检验特别 有利，因为它们不依赖于未知的m a j o r a n a 相角。结合双电荷h i g g s 玻色子衰变， 例如日+ + 一e + 矿，e + 丁+ ，矿一，我们可以探测m a j o r a n a 相角。我们详细研究了 以上各个方面内容，给出了在l h c 上检验这种中微子质量产生机制的各种可能 性。我们主要的结果总结在文献 3 2 1 中。 另外我们知道，统一自然界中的所有基本相互作用是研究超出标准模 型以外物理的主要动机之一。所谓的大统一理论( g u t s ) 是标准模型最有吸 引力的扩展，从中我们可以理解标准模型相互作用的起源并预测电荷和弱 混合角的量子化【3 3 】。在这些理论中规范耦合被统一在标度m g u t 1 0 1 4 - 1 6 g e v 。物质场的统一意味着存在最轻重子，即质子的衰变【3 4 】，和标量或矢 量l e p t o q u a r k ( l q ) 3 5 】，由于轻子和夸克处在同一规范群表示下，它同时携带轻 子和重子数。 由于l e p t o q u a r k 在大统一理论和其它标准模型扩展中的重要角色和独特 唯象学特点，它们的普遍特征和唯象学已经被研究了很长时间 3 6 ，3 7 。 最近，一个基于s u ( 5 ) 规范对称性的简单大统一理论被提出【3 8 】，其中 的h i g g s 由5 h ，1 5 h ，2 4 h 组成。1 5 n 中包含了左手s u ( 2 ) h i g g s 三重态，由t y p en s e e s a w 机制产生中微子质量【1 4 】和一种轻的标量l e p t o q u a r k ，它满足规范耦合统 一和质子寿命实验下限的限制。特别的，我们发现1 e p t o q u a r k 与物质l 弘j y u k a w a 耦 合与中微子质量矩阵相关联。结果，l q 与物质场的不同相互作用导致了区分中 微子的不同质量级差的可能性。 这一课题的几个唯象学和宇宙学上的方面已经在文献【3 9 】和 4 0 1 中被讨论 过，但还没有一个对l q 在对撞机唯象学方面的全面研究。在本文中，我们研究 了轻的标量l e p t o q u a r k 的性质 3 8 _ 4 0 】，考虑了来自于中微子振荡实验结果，轻子 味道破坏和介子稀有衰变对这种l q 的限制。我们发现虽然低能物理的限制比较 强，但不能排除在l h c _ h 发现统计量上可观的l q 信号的可能性。 对在l h c 上寻找l q ，我们给出了主要的产生机制和实验上完全可重建的 一5 一 第一章引言 干净末态。发现l q 的黄金信号是电荷+ 2 3l q ( 用皿1 表示) 的q c d 对产生，它衰 变到一个带电轻子和一个下型夸克。在应用过一些压低s m 背景的截断后， 在1 0 0f b - 1 积分亮度下可以预期发现量级在1 0 3 的4 0 0 6 0 0g e v 质量的l q 事例 数。通过研究事例的轻子味道组成，我们可以进一步检验对中微子质量谱的 模型预测。特别的，b 味道对帮助区分中微子质量谱和提取反常级差下一个未 知m a j o r a n a 相角是非常有用的。假设我们将来对中微子质量谱有了充分了解， 这里对对撞机上探测的研究不仅提供了对中微子质量谱的重要检验，而且还意 味着在基本理论中存在产生中微子质量的机制。 本文分为五部分，第一章引言，强调对撞机物理唯象学的重要性与中微 子质量和混合相关的理论和实验方面的工作，及其对发现新物理信号的重要 意义。第二章介绍标准模型和t y p ei is e e s a w 模型及如何在l h c 上检验t y p e s e e s a w 模型，包括对信号和背景运动学的详细讨论。第三章介绍l e p t o q u a r k 模 型及如何在l h ci - _ 检验l e p t o q u a r k 模型，包括低能实验对l e p t o q u a r k 参数的限制 和它与中微子质量矩阵的关联。第四章是总结与展望。附录中包含所有我 们推导的t y p ei is e e s a w 机制费曼规则，t y p ei is e e s a w 机制中物t 里h i g g s 场的衰 变公式和轻子混合矩阵明显表达式，l e p t o q u a r k 的y u k a w a 耦合的明显表达式 和l e p t o q u a r k 对各种电弱自能图贡献的表达式。 一6 一 第二章b p e i is e e s a w 模型与其在l h c _ 啪检验 第二章t y p ei is e e s a w 模型与其在l h ci - i 驹检验 2 1 标准模型 在本节中我们给出标准模型，也就是标准电弱规范模型的主要组成和特 征，其中符号采用文献【1 0 冲的约定。 2 1 1 量子电动力学( q e d ) 规范不变性是规范场论的中心特征，因为它保证了计算量是有限值( 也就是 说微扰展开的振幅是可重整的) 。q e d 是人们认识的第一个规范理论也是最简单 的一个。 无质量电磁场4 与自旋- 互1 ，j 莹 m ，一一，白： c = 一三+ 万( 妒巩一m ) 妒 ( 2 1 ) 其中兄，是电磁场张量兄= o a p 一巩a p ，巩是协变导数仇= 钆+ i e a p q 。要 求这个拉氏量在以下定域规范变换下不变： 妒( z ) u ( z ) 妒( z ) ，a px ) a p ( z ) + 钆口( z ) ， ( 2 2 ) 其中u ) = e x p ( - i e q a ( x ) ) 。 定域规范不变性要求存在一个规范场a 口与费米子有确定的相互作用形式： i n t = 一e 妒7 p q c a j , ( 2 3 ) 用群论的语言来说，上面关于标量口( z ) 的规范变换属于一个幺正群u o ) ， 而且完整的拉氏量具有生成元为电荷算符q 的对称性u ( 1 ) q 。而上面光子与旋量 的最小耦合是由协变导数d 弘矽引入的，而且完全由妒在规范群下的变换性质决 定。 一7 一 第二章t y p ei is e e s a w 漠- 型量基垄生坚璺圭丝堑墅 2 1 2y a n g m i l l s 场：s u ( 2 ) 又, - t 称性 规范变换也会包含内部自由度。例如，考虑一个内部对称群s u ( 2 ) ，就像在 同位旋对称性下自旋- 场妒以二重态变换。它们的自由场拉氏量为： c = 万( 研p 乱一m ) 妒 ( 2 4 ) 其中万，矽分别是同位旋空间的行、列矢量。 - 与q e d 类似，我们现在要求拉氏量在以下定域规范变换下不变： 妒( z ) 一e x p ( 一i 夕a ( z ) 彳) 矽( z ) ， ( 2 5 ) 其中q ( z ) 是同位旋空间的任意矢量，宁= ( 丑，正，死) 是同位旋算符，它的 分量正是s u ( 2 ) 对称变换生成元。正不对易，陬，乃】= i e i j k r k ，也就是说规 范群是n o n a b e l i a n 的。作用在同位旋二重态上，矩阵表示为正= a i 2 ，其 中既是p a u l i 矩阵。 要使得拉氏量的妒场部分规范不变，需要引入适当的协变导数仇： 白：万( 研p d p m ) 妒，d p = 钆+ 匆谚p _ t ， ( 2 6 ) 假设存在一个g m i l l s 规范场的同位旋三重态毗p ( i = 1 ，2 ，3 ) ，并且以如下形 式变换： 吮( z ) _ 吮( z ) + 钆召( z ) + a - g