中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 张昊北京大学 2011年博士导师: 李重生共292页

摘要 : 标准模型理论是迄今为止人类描述微观粒子及其相互作用最成功的理论，然而该理论所预言的Higgs粒子还没有被实验所发现。此外，标准模型本身还存在着一些理论上的自洽性问题。为了解决这些问题，人们普遍认为，在TeV能标附近必须存在超出标准模型的新... 展开标准模型理论是迄今为止人类描述微观粒子及其相互作用最成功的理论，然而该理论所预言的Higgs粒子还没有被实验所发现。此外，标准模型本身还存在着一些理论上的自洽性问题。为了解决这些问题，人们普遍认为，在TeV能标附近必须存在超出标准模型的新物理。在理论上，自从标准模型建立以后，近四十年来，国际理论高能物理界进行了大量的理论探索；而实验上，实验家们主要利用加速器和非加速器探测手段来探索这些新物理可能的起源。本文从暗物质物理和粒子物理两个角度出发，统一研究了超出标准模型的某些新物理的现象学。本文首先介绍了有关unparticle与超对称相关的新物理的研究。此后采用模型相关和模型无关两种方法研究了粒子物理中的暗物质的可能起源及其实验观测信号。在模型相关的暗物质研究中，我们提出了非阿贝尔暗物质模型，详细研究了它的理论结构，并在满足现有低能精确观测实验的前提下成功地解释了PAMELA、Fermi LAT和暗物质的残留密度等天体物理和宇宙学的实验观测结果。接着，为了在超对称模型的框架下解释对暗物质进行直接寻找的CoGeNT和DAMA/LIBRA等实验结果，我们还详细研究了次最小超对称模型中存在一种新的暗轻Higgs粒子的可能性。我们发现，此时该理论中存在既满足已有粒子物理实验的限制，同时又能给出可以解释上述暗物质实验的参数空间。此外，在模型无关的暗物质研究中，我们采用有效场论的观点，写下了暗物质与标准模型粒子相互作用的各种可能的高量纲算符。利用这些有效算符，我们研究了暗物质粒子的残留丰度、直接探测截面、对宇宙线伽马射线能谱的贡献，并研究了在LHC上发现这些暗物质粒子的各种可能的过程。本文还研究了色六重态粒子的现象学，深入分析了在LHC运行早期通过同号顶夸克对事例来发现标量和矢量色六重态粒子存在的可能性。通过重建同号顶夸克事例，利用顶夸克的自旋信息给出了色六重态的自旋以及它与标准模型粒子相互作用的手征性。为了区分同一事例中不同手征的顶夸克，我们还解析计算了顶夸克衰变中末态轻子的能谱与顶夸克的运动速度以及手征性之间的关系。针对目前Tevatron上已观测到的顶夸克对产生过程中的前后不对称性与标准模型预言超过2σ的偏离，本文深入研究了当味改变的额外中性规范玻色子所诱导的项夸克对产生过程可用来解释上述前后不对称时，它与同时所诱导的同号顶夸克对截面大小的关联。利用这种关联，我们发现，在早期LHC实验中，同号顶夸克对事例很容易被观测到，从而表明了用额外中性规范玻色子来解释顶夸克对的前后不对称性会在LHC上诱导大量的同号顶夸克对事例，这就使得LHC的有关实验家可以通过对同号顶夸克对产生截面的测量来检验该模型的有关预言。收起

关键词 : 标准模型新物理现象学暗物质对撞机唯象学

2. 超对称和额外维物理的唯象学研究

[学位论文] 李强北京大学 2006年博士导师: 李重生共242页

摘要 : 本文对超对称与额外维这两类新物理的唯象学进行了研究。在第一部分，首先分析和简要介绍了最小超对称标准模型(MSSM)的理论和唯象研究的现状，接着在电弱单圈水平上讨论了第三代标量top夸克的衰变过程，并重点讨论了LHC上赝标Higgs玻色子和Z规范玻色... 展开本文对超对称与额外维这两类新物理的唯象学进行了研究。在第一部分，首先分析和简要介绍了最小超对称标准模型(MSSM)的理论和唯象研究的现状，接着在电弱单圈水平上讨论了第三代标量top夸克的衰变过程，并重点讨论了LHC上赝标Higgs玻色子和Z规范玻色子的联合产生过程，给出了其总截面的完整的精确到次领头阶的QCD(包括超对称QCD修正)理论预言。在第二部分，在归纳和简要介绍了大的额外维(LED)与卷曲的额外维(RS)这两类模型之后，我们首先研究了在ILC上带电Higgs玻色子H±的产生过程中，引力子KK激发态的中间传递效应。其次，在RS模型中，对于LHC上引力子KK激发态的直接产生过程gg，qq-→h(n)，我们详细考察了该过程的高阶QCD效应，除了给出完整的次领头阶的QCD的修正外，并对小横动量(qT)的软胶子所诱导的大对数项做了重求和，通过与大qT时的固定阶的结果做匹配，给出了上述过程的横向动量分布的微分截面。在大的额外维模型中，研究了一类新的LED的模型，其中限制在膜上的物理是SM的两个Higgs二重态(2HDM)扩充，并且详细讨论了在这种模型中，对于带电Higgs玻色子H±在ILC上的两个重要产生过程e+e-→H+H-以及e+e-→H-tb-，引力子KK激发态的中间传递效应。我们发现，相比一般的2HDM的结果，引力子KK激发态可以很显著地改变其散射截面及微分截面的结果，并且给出了这些结果和LED的有效能标的依赖关系，因而指出可以用H±在ILC上的上述产生过程来探测LED的在几个TeV能区的有效能标。其次，在RS模型中，对于LHC上引力子的KK激发态的直接产生过程gg，qq-→h(n)，我们给出了完整的次领头阶QCD修正的结果。我们的结果表明，RS模型中引力子的KK激发态在LHC上的产生截面可以非常大，例如，当引力子KK激发态的质量为1TeV，∧π=4TeV时，LO的截面可以达到20pb左右；并且次领头阶QCD修正又大大地提升了LO的总截面，一般在40％以上；同时，次领头阶QCD修正有效地减小了LO总截面对重整化和因子化标度的依赖性。此外，我们还计算了横向动量分布的微分截面，我们发现，QCD固定阶的结果在小横向动量qT时趋于发散，这是由于小qT的软胶子会诱导微扰计算在所有阶都出现大的对数项，因而，固定阶的计算结果变得不可靠；为了给出在物理上比较可靠的预言，我们对这种小qT的软胶子所诱导的大对数项做了重求和计算，并通过与大qT时的固定阶结果做匹配，最后给出了上述过程的在物理上较为合理的横向动量分布的微分截面。收起

关键词 : 理论物理粒子对撞标量夸克额外维模型

3. 通过顶夸克味改变中性流（FCNC）探索新物理

[学位论文] 刘建军北京大学 2005年博士导师: 李重生共176页

摘要 : 标准模型(SM)是在更高能标上的某种基本理论的低能近似，很多问题并不能在SM框架内得到合理解释，例如，味的动力学，特别是三代费米子之间的混合以及已观测到的它们之间巨大的质量差别等。正在建造的以及计划中的下一代对撞机将在更高精度上检验SM并... 展开标准模型(SM)是在更高能标上的某种基本理论的低能近似，很多问题并不能在SM框架内得到合理解释，例如，味的动力学，特别是三代费米子之间的混合以及已观测到的它们之间巨大的质量差别等。正在建造的以及计划中的下一代对撞机将在更高精度上检验SM并在更高能标上探索超出SM以外的新物理。 SM包含了三代夸克，其中第三代的上夸克即顶夸克由于其质量很大而具有特殊的性质，它是了解电弱对称破缺机制以及超出标准模型的新物理的有力探针。在SM中与顶夸克有关的FCNC过程在任何对撞机上都是观测不到的，因此任何实验上观测到的顶夸克FCNC过程都将是新物理的信号。而就新物理模型所预言的顶夸克的FCNC信号而言，目前的研究表明在任何LHC之前的对撞机上(Tevatron，HERA等)都不可能观测到，考虑到ILC的实验还要晚几年，而且它只能在某些方面起到对LHC的补充作用，因此对顶夸克FCNC过程的研究是LHC上的重要实验目标之一。最小超对称标准模型(MSSM)是最流行的新物理模型之一，包含了105个超出SM的自由参数，因此在味动力学方面有比SM更丰富的内容，并能够提供关于FCNC耦合的起源的新的解释。由于关于顶夸克FCNC过程的实验限制还很少，而LHC能够产生丰富的顶夸克事例，对顶夸克稀有过程的测量将成为可能，因此研究顶夸克的稀有过程对于探测新物理具有特殊的意义。就对FCNC耦合g-u(c)-t观测的敏感度而言，单个顶夸克产生过程要优于衰变过程，但迄今还未见到文献报道有关SUSY模型框架下对于LHC上顶夸克FCNC产生过程的研究。另一方面，过去在SUSY模型中的有关顶夸克FCNC耦合的工作都是在某种受限制的MSSM中实现的，它们要么通过特定的SUSY-CKM矩阵，要么使用质量插入近似来描述顶夸克的FCNC耦合，而采用质量本征态的严格方法直接用SUSY软破缺参数来系统研究顶夸克的FCNC过程并由此建立起观测量与SUSY软破缺参数的联系，迄今在文献上尚未见到。这表明有关顶夸克的FCNC过程的观测量与含第三代上标量夸克的混合参数之间的联系尚不清楚。作者首先在一般的MSSM框架下，采用质量本征态的严格方法计算顶夸克通过SUSY-QCD及SUSY-电弱(EW)的FCNC耦合诱导的稀有衰变t→cV(V=g，γ，Z)分支比，发现所得到的结果比过去文献报道的MSSM框架下的有关结果都要大，特别是t→cg，cγ衰变分支比在目前有关的精确实验所允许的参数取值范围内，在LHC上是非常有希望被观测到的。此外，发现t→cV(V=g，γ，Z)衰变分支比强烈依赖于软破缺参数AU，因此通过在LHC上测量顶夸克稀有衰变分支比将使作者有希望获得SUSY软破缺参数的一些有价值的信息。对于t-u(c)-g反常耦合，其最好的观测过程是通过顶夸克的产生来进行的，为此作者系统研究了LHC上单个顶夸克通过SUSY-QCD诱导的FCNC产生过程，详细地考察了在LHC上tc及tu的产生总截面。结果表明，在目前有关的精确实验所允许的参数取值范围内，其产生总截面可以达到几个pb，此外结果还表明，一旦在LHC上观测到大的tc及tu的联合产生截面，它们就很可能是来源于SUSYFCNC耦合，而且应该与软破缺参数AU有关。采用与模型无关的方法考察顶夸克的反常FCNC耦合，并由此探索新物理可能出现的标度是顶夸克物理的另一重要研究课题。在这方面已有的研究已经初步建立了各类产生及衰变过程的观测量与新物理标度的依赖关系，从而给出了在未来对撞机特别是LHC上探索新物理的潜力。但迄今所有这些工作都局限于树图水平，理论预言的精度与LHC的实验目标相差较远。本文研究了在LHC上与顶夸克反常FCNC耦合t-c-g最为敏感的直接产生过程的次领头阶QCD效应，其结果表明次领头阶修正一般地增大领头阶总截面达30％，同时显著地减少了总截面对重整化及因子化标度的依赖性，从而提高了上述理论预言的可靠性。收起

关键词 : 最小超对称标准模型顶夸克 FCNC过程次领头阶QCD修正高能物理

4. 量子色动力学高阶效应和新物理的研究

[学位论文] 王健北京大学 2013年博士导师: 李重生共170页

摘要 : 标准模型成功地统一描述了基本粒子及其之间的电磁、弱和强相互作用,并经受了大量实验检验。迄今为止,标准模型中唯一尚未被实验确认发现的就是Higgs粒子。LHC经过三年的运行,在最新公布的实验结果中,宣布发现了一个新的质量约为125 GeV的粒子。目前所... 展开标准模型成功地统一描述了基本粒子及其之间的电磁、弱和强相互作用,并经受了大量实验检验。迄今为止,标准模型中唯一尚未被实验确认发现的就是Higgs粒子。LHC经过三年的运行,在最新公布的实验结果中,宣布发现了一个新的质量约为125 GeV的粒子。目前所有的实验结果和分析都表明,这个粒子很可能就是标准模型中的Higgs粒子。虽然标准模型取得了很大成功,但是标准模型理论本身还存在一些固有的问题,例如真空的稳定性等。此外,它不能描述引力,不能解释中微子质量的起源,也不能回答宇宙中为什么存在暗物质等问题,所有这些都暗示标准模型并非一个终极理论,它只是目前所观测能区的一个有效理论,存在超出标准模型以外的新物理。探索新物理通常有两种方法:直接创立一个完整理论或者采用有效理论的方法。本文重点研究了如何利用有效理论的方法在LHC上发现新物理的信号,以及高阶QCD的效应对相关实验观测量和模型参数的影响,具体内容包括: (1)采用有效理论的方法,通过LHC上暗物质和光子联合产生过程探索暗物质的性质。在分析中,首次计算了QCD高阶修正的效应,给出了暗物质残余丰度QCD次领头阶修正的解析结果。在LHC上寻找信号时,考虑了标准模型的主要背景,即Z玻色子和光子联合产生以及Z玻色子和喷注联合产生。研究发现背景光子的横动量分布比信号光子下降得快,背景光子的快度分布是均匀的,而信号光子集中在快度中心区域。这些运动学分布特征可以帮助LHC的实验学家通过上述过程发现暗物质信号时有效选取事例。在此基础上,给出了在LHC上,以5σ置信度水平发现这种信号时所需要的积分亮度。 (2)在QCD次领头阶水平上详细讨论了一类额外的矢量玻色子W′通过和顶夸克的耦合对顶夸克对产生的总截面、不变质量分布以及前后不对称性的影响。在拟合Tevatron上的已有实验数据之后,得到了W′的上述耦合所允许的参数空间,并找到最佳参数拟合点。在此过程中详细讨论了QCD次领头阶修正对上述顶夸克对产生中的观测量的影响,发现QCD次领头阶效应明显放松了实验数据对W′模型的限制。此外,也在QCD次领头阶水平上讨论了上述耦合诱导的LHC上顶夸克对产生中的总截面和电荷不对称性AC,通过和实验结果对比给出了对W′模型参数的限制区域和最佳拟合点。这些结果可以用来判断W′的手征耦合结构。 (3)在软共线有效理论(SCET)框架下研究了在Tevatron和LHC上t道单顶夸克产生过程。顶夸克的电弱耦合性质只能通过单顶夸克产生过程来研究,无论在Tevatron还是在LHC上,截面最大的都是t道单顶夸克产生。为了通过该过程来发现新物理的效应,需要对大横动量的顶夸克事例做详细考察,这是由于新物理的粒子一般很重,例如W′,它所诱导产生的单顶夸克往往具有大横动量,因而额外辐射胶子的相空间受到限制,其主要贡献来自软胶子的发射。因此,需要考察在顶夸克大横动量区域处的这种软胶子的重求和效应。本文在SCET框架下,首次研究了这种末态既有重夸克又有轻夸克的类空过程在近阈区域的因子化形式,给出了重求和公式,还详细讨论了数值结果。研究发现,相对于次领头阶,在Tevatron(LHC)上产生的顶夸克横动量大于50(70) GeV时,这些软胶子重求和效应能够增加截面大约9%～13%(4%～9%)。 (4)研究了在早期LHC上如何发现monotop信号,即一个顶夸克和丢失横能量联合产生的信号。这种信号在标准模型中是没有的,但在诸如R宇称破坏的超对称或者SU(5)大统一等模型中可以出现。任何monotop信号的发现都将表明新物理的存在。本文给出了可以描述上述monotop信号的一般性的可重整的规范不变的有效拉氏量。并利用已有的实验数据,如Z玻色子强子衰变分支比,K0-K0介子混合以及LHC上双喷注产生过程等,得到了对该有效拉氏量中自由参数的限制范围。在此基础之上,在强子水平上(考虑了Parton Shower和末态强子化效应),深入考察了如何优化选取事例的截断(cut)来增加信噪比,从而给出了早期LHC在收集到1 fb?1的数据时,可以在5σ水平上发现这种monotop信号所对应的参数区域。收起

关键词 : 量子色动力学高阶效应新物理方法标准模型

5. 量子色动力学在希格斯与顶夸克物理中的应用

[学位论文] 邵鼎煜北京大学 2014年博士导师: 李重生共164页

摘要 : 欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)的第一期运行已经结束，其中最为重要的实验成果当属发现了一个标准模型的希格斯(Higgs)玻色子，随着Higgs玻色子的发现，标准模型又一次成功的得到了实验的检验，粒子物理学进入了一个全新的发展阶段。由... 展开欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)的第一期运行已经结束，其中最为重要的实验成果当属发现了一个标准模型的希格斯(Higgs)玻色子，随着Higgs玻色子的发现，标准模型又一次成功的得到了实验的检验，粒子物理学进入了一个全新的发展阶段。由于标准模型仅仅是一个有效理论，为了研究超出标准模型的新物理，Higgs的发现为之提供了一个重要的研究对象。此外，由于LHC上产生了大量的顶夸克的事例，可以对项夸克物理进行精确地研究。由于顶夸克是质量最大的基本粒子，并且与Higgs粒子耦合强度很大，它对于理解电弱对称性破缺起到了重要的作用。因此通过强子对撞机上Higgs以及顶夸克物理过程的研究，是精确检验标准模型，以及寻找超出标准模型新物理的重要手段。本文首先介绍了强子对撞机上微扰量子色动力学(QCD)计算方法，其中包含QCD基础介绍，次领头阶(NLO)修正介绍，以及Catani-Seymour减除方法介绍。随后讨论了软共线有效理论(SCET)的最新进展，其中包含了对SCET的简要介绍，“共线反常”以及“快度重整化群”方法的主要内容，以及在SCET的框架下对近年来所发展起来的带有喷注veto重求和方法做了介绍。在完成理论方面的综述后，本文重点讨论了SCET以及微扰QCD在Higgs以及顶夸克物理方面的应用，具体成果如下: (1)在SCET框架下利用“共线反常”正规化方法，研究了LHC上带有喷注veto的Higgs和规范玻色子联合产生过程的重求和效应。在次次领头对数(NNLL)阶的水平上计算了带有喷注veto总截面、不变质量分布，并且比较了不同喷注半径及喷注veto大小的结果。结果表明当喷注半径R=0.4(0.5)及喷注veto为25 GeV的时候，与NLO结果比较，重求和效应可减少标度依赖性到7％(6％)。 (2)在SCET框架下研究了LHC上标准模型Higgs玻色子对产生过程中阈值重求和效应。在NNLL阶的水平上计算了总截面及不变质量分布，其中对固定阶硬函数中出现的π2项重求和到了所有阶。结果表明，重求和效应放大了NLO结果27％，标度依赖性被减小到8％。此外，还研究了Higgs玻色子对产生的总截面及不变质量分布对Higgs玻色子自耦合参数的依赖关系。发现，总截面及不变质量分布的形状强烈依赖于Higgs玻色子自耦合参数，因此随着LHC测量精度的提高，有可能通过不变质量分布及总截面来抽取Higgs玻色子自耦合参数。 (3)在SCET和重夸克有效理论框架下，推导出强子对撞机上t(t)+(0)j产生过程的因子化表达式。定义了与喷注veto相关的软函数来描述末态有质量带色粒子的软辐射效应，并且在NLO水平上计算了软函数的表达式，最终对t(t)+(0)j过程进行了NLO+NNLL阶重求和的计算，并与Monte-Carlo事例生成器的部分子簇射(Parton Shower)的结果进行了比较。结果表明，与Monte-Carlo事例生成器POWHEG+PYTHIA的数值结果相比较，重求和的效应对带有喷注veto的顶夸克对产生的总截面有明显的放大，特别是LHC的情形。此外，这种增强效应会随着喷注veto的增大而减小。 (4)在QCD NLO水平上计算了Tevatron上四夸克有效算符诱导的顶夸克对产生前后不对称性和总截面的大小。计算结果表明，QCD NLO修正能够改变前后不对称性及总截面的大小约10％。此外，QCD NLO修正还减小了前后不对称性及总截面对重整化及因子化标度的依赖性。同时，在Tevatron实验结果所限制的参数范围内，在QCD NLO水平上计算了LHC上四夸克有效算符诱导的顶夸克对产生的色荷不对称性和总截面大小。结果表明，有效算符对色荷不对称性的贡献远大于标准模型的预言，随着测量精度的提高，LHC有能力去探测这种可能的新物理效应。收起

关键词 : 玻色子顶夸克有效理论量子色动力学希格斯强子对撞机

6. 强子对撞机上的顶夸克物理

[学位论文] 张嘉俊北京大学 2010年博士导师: 李重生共163页

摘要 : 尽管标准模型在基本粒子物理中取得了令人瞩目的成功，但人们普遍认为，标准模型只是TeV标度以下的有效理论。欧洲大型强子对撞机（LHC）的主要目标就是寻找标准模型中导致电弱破缺的Higgs粒子和超出标准模型的新物理。顶夸克作为实验已经发现的标准模... 展开尽管标准模型在基本粒子物理中取得了令人瞩目的成功，但人们普遍认为，标准模型只是TeV标度以下的有效理论。欧洲大型强子对撞机（LHC）的主要目标就是寻找标准模型中导致电弱破缺的Higgs粒子和超出标准模型的新物理。顶夸克作为实验已经发现的标准模型中最重的粒子，其质量已接近电弱对称性破缺标度，因而顶夸克是探索电弱对称性破缺的一个很好的探针，此外，有关顶夸克的各种观测量的实验和理论研究，在探索超出标准模型的新物理中也起着特殊的作用。本文首先研究了顶夸克模型无关的量纲为5的FCNC反常耦合所诱导的三个衰变道（）的次领头阶QCD修正和算符混合效应。对于t→q+g，其结果表明，次领头阶QCD修正能够增加领头阶衰变分支比达20％。此外，次领头阶QCD效应还减小了理论预言对重整化标度的依赖性，因而使得理论的预言更加可靠，并且它不会受到算符混合效应的影响·该结果已被CDF实验组引用，为其在实验中确定t→q+g衰变分支比的实验上限提供了理论依据。对于t→q+γ和t→q+Z道，次领头阶QCD修正对衰变分支比的影响很小，基本可以忽略。但是对它们的部分衰变宽度的修正仍可达到约9％。在考虑了算符混合效应之后，这两个道的衰变分支比将进一步改变，依赖于参数（）的不同选取，这些混合效应可大可小，可正可负。上述结果对在LHC上进一步精确测量顶夸克的反常耦合的实验将有重要参考价值。其次，还研究了LHC上单个顶夸克产生过程中SUSY-QCD效应，其计算结果表明，对于s道和t道，其SUSY-QCD效应最多达到1％，从而可以忽略。但是对于tW联合产生道，其SUSY-QCD效应在大部分参数空间均可达到6％的水平，其大小可与NLO QCD效应（约10％）相比拟，因而在LHC上tW联合产生过程的精确测量中需要加以考虑，并由此发现可能的SUSY存在的间接证据。最后，在计算了顶夸克与W玻色子联合产生过程的NLO QCD修正之后，本文还研究了在软共线有效理论的框架下，该过程截面和微分截面的阈重求和在动量空间中的因子化形式。所得到的阈重求和公式避免了在Mellin反变换中可能遇到的Landau极点问题，因而减小了非微扰效应所导致的不确定性。利用上述因子化形式，可以对tW的联合产生过程的截面进行NNLL阶阈重求和的数值计算。收起

关键词 : 顶夸克物理重求和新物理效应标准模型精确检验

7. 强子对撞机上超对称粒子的产生和衰变及其辐射修正

[学位论文] 金立刚北京大学 2003年博士导师: 李重生共159页

摘要 : 在归纳和简要介绍最小超对称标准模型(MSSM)的理论和唯象研究的现状之后,我们在电弱单圈水平上讨论了强子对撞机上带电希格斯玻色子与top夸克或者与W玻色子的联合产生过程和第三代标量夸克的衰变过程,并重点讨论了在CERN的大型强子对撞机(LHC)上标量t... 展开

关键词 : 最小超对称标准模型带电希格斯玻色子标量top夸克标量bottom

8. LHC上超出标准模型的新物理研究

[学位论文] 高俊北京大学 2011年博士导师: 李重生共150页

摘要 : 位于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)已经开始投入运行了。LHC即使在低亮度情形下(～10fb-1)，其探测能力也可以完全覆盖目前人们普遍倾向的标准模型的Higgs玻色子可能的质量区间。而对于TeV能区的超出标准模型的各种新物理模型，LHC也具有相当... 展开位于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)已经开始投入运行了。LHC即使在低亮度情形下(～10fb-1)，其探测能力也可以完全覆盖目前人们普遍倾向的标准模型的Higgs玻色子可能的质量区间。而对于TeV能区的超出标准模型的各种新物理模型，LHC也具有相当强大的探测能力。尽管目前LHC所积累的少量数据并没有显示出与标准模型有任何偏离。但人们普遍认为随着LHC的积分亮度及其对撞能量的提升，它必将会给粒子物理带来新的激动人心的发现。 LHC作为一个强子对撞机，量子色动力学(QCD)在其中扮演着重要的角色，本文首先从QCD出发，简要介绍QCD的历史发展，基本概念以及微扰QCD的应用和前沿研究；紧接着过渡到LHC物理，扼要介绍其唯象学研究；然后本文重点介绍目前比较流行的两种TeV能区的新物理模型，即超对称模型和额外维模型，特别是还用模型无关的方法讨论了在LHC上所能发现的新物理。在以上理论框架下，本文重点研究了如何在LHC上来发现这些新物理信号，以及次领头阶QCD修正对相关实验测量的影响。具体内容包括 (1)，研究了大额外维模型以及RS模型中新物理所诱导的Z玻色子对以及同号顶夸克对的产生过程。通过树图水平的蒙特卡洛模拟，分析了它们相应的末态信号以及标准模型背景，给出了在一定的置信水平下LHC所能探测到的额外维模型的有关参数空间。由于它们都具有非常干净的末态轻子信号，有关的研究结果对在LHC上寻找额外维物理将大有帮助。 (2)，在次领头阶QCD水平上讨论了LHC上四夸克接触算符所诱导的双喷注产生过程。并对在LHC上寻找复合夸克模型的有关实验观测量做出了比较精确的理论预言。发现在双喷注角分布的测量中，实验学家们所采用的新物理贡献的领头阶预言及简单乘上标准模型QCDK因子所给出的次领头阶预言与本文的理论预言相比较，他们的结果过高地估计了新物理对相应的实验观测量的贡献，从而给出了对复合夸克标度A过于苛刻的限制。根据本文的结果，ATLAS和CMS实验组给出的原来的实验下限将会分别从3.4TeV和4.0TeV下调至3.1TeV以及3.7TeV。同时还讨论了随着LHC亮度的提升本文的结果对角分布测量可能带来的进一步影响。此外本文还在模型无关的框架内讨论了强子对撞机上反常项夸克伴随喷注的产生过程的次领头阶QCD修正。发现对于tcg反常顶点，在Tevatron和LHC上，次领头阶修正对总截面的放大分别可达60％和30％，而对于tug反常顶点，则是50％和20％。这也就意味着次领头阶QCD修正可以分别提升Tevatron和LHC对QCD反常耦合系数的探测能力达20％～30％以及10％～20％。同时还发现次领头阶修正可以显著的改善总截面的标度依赖性，从而使得理论预言更加可靠。 (3)，最后，在次领头阶QCD水平上，本文系统地研究了LHC上的直接项夸克产生过程和带电Higgs玻色子与W玻色子联合产生的过程，并对其信号做了蒙特卡洛模拟x在这些研究中均包含了高阶QCD效应对各种运动学分布的修正，从而给出了更为接近实验的精确理论预言。在直接顶夸克产生过程的研究中发现按照现有的Tevatron给出的实验限制。质心系能量为7TeV的LHC在运行的早期(61 pb-1)就具备了在5σ的水平上发现顶夸克QCD反常耦合的能力。对于质心系能量为7TeV的LHC，其在积分亮度为2(10)fb-1时，便可探测tug和tcg QCD反常耦合系数分别至0.0115(0.0077)TeV-1和0.024(0.016)TeV-1。本文的结果意味着，质心系能量为7TeV的LHC就将远超过目前Tevatron的探测能力，并且随着事例数的累积还将可以利用对末态电荷不对称性的测量来区分tug和tcg反常耦合。而在带电Higgs玻色子和W玻色子联合产生过程的研究中发现对于最小超对称标准模型，在中等带电Higgs质量以及较大的tanβ参数取值下，LHC将有可能在高亮度运行时在5σ的水平上发现超对称的带电Higgs玻色子。收起

关键词 : 大型强子对撞机量子色动力学新物理蒙特卡洛模拟超出标准模型

9. 微扰量子色动力学及其在强子对撞机上的应用

[学位论文] 李钊北京大学 2009年博士导师: 李重生共149页

摘要 : 在现代粒子物理实验中，强子对撞机扮演着非常重要的角色，尤其是即将投入运行的大型强子对撞机(LHC)是迄今为止最强大的对撞机，而量子色动力学(QCD)对于强子对撞机上的任何散射过程都非常重要，其高阶效应是正确的理论预言所不可或缺的，特别对于背... 展开在现代粒子物理实验中，强子对撞机扮演着非常重要的角色，尤其是即将投入运行的大型强子对撞机(LHC)是迄今为止最强大的对撞机，而量子色动力学(QCD)对于强子对撞机上的任何散射过程都非常重要，其高阶效应是正确的理论预言所不可或缺的，特别对于背景相对较大的过程，它对信号的精确理论预言起着关键的作用。本文深入系统地讨论微扰QCD在强子对撞机上的应用，重点讨论直到所有阶的软胶子效应的重求和方法及其应用。我们首先介绍QCD的历史和基本理论框架，包括QCD的重整化群方程和渐进自由性质，另外我们还扼要介绍作为强子散射过程计算基础的因子化定理。接着，我们介绍QCD中的软胶子重求和(Resummation)方法，特别是阈值重求和(Threshold Resummation)方法，并给出了在Drell-Yah类型过程中的主要公式。在以上理论基础介绍之后，我们研究了强子对撞机上作为超对称的重要信号，Chargino和Neutralino联合产生过程的高阶QCD效应，它们包括次领头阶QCD效应和QCD的阈值重求和效应。我们发现，次领头阶QCD效应一般为百分之几十，这个结果与文献上报道的有关结果一致。而阈值重求和效应，相对于次领头阶的结果，对于LHC上～+X1～0X2和～X1-～0X2联合产生的总截面分别增加3.6％和3.9％，而对于Tevatron上～X1±～0X2联合产生的总截面可以增加4.7％。我们还发现，对于不变质量的分布，上述重求和效应在大不变质量的区域是比较显著的；此外，阈值重求和效应还可以把LHC(Tevatron)上的总截面对标度的依赖性从次领头阶的7％(11％)减小到5％(4％)。上述结果表明，虽然阈值重求和效应对截面的修正只有百分之几，但对于降低理论预言对标度的依赖性有重要作用，这对于精确的理论预言是必不可少的。接下来，我们重点讨论了对于QCD的值重求和方法，在Sudakov因子中的Landau极点的问题。由于它涉及到非微扰区域的物理，因此通常的做法是在计算中引入某种近似从而避开了Landau极点，但如果Landau极点所涉及的非微扰效应比较显著，则由此得到的阈值重求和效应的预言将变得不可靠。因此，我们通过对联合重求和(Joint Resummation)中Sudakov因子的渐进行为的深入分析，首次提出了一组描述阈值重求和中非微扰效应的修正项，它们以因子化的形式作用于Sudakov因子，其中引入了三个参数来表征其非微扰特征；并通过把加入了这些修正项的重求和理论预言与三组比较精确的Drell-Yan实验数据做拟合，确定了上述三个非微扰参数的大小。我们还将引入了上述非微扰效应的阈值重求和理论预言和实验符合的情况，与其它几种未包含非微扰效应的QCD高阶预言的结果和实验符合的情况做了比较，发现，为了让阈值重求和方法能够准确的描述低能(√S=38.76 GeV)的Drell-Yah实验，上述非微扰修正项的贡献是必不可少的，在某些情况下，非微扰效应可以达到50％以上。我们的结果还表明，尽管对于Tevatron和LHC的大转移动量过程，上述非微扰效应基本可以忽略；但是，对于美国Brookhaven国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC，√S=200 GeV)和德国FAIR(Faeility of Antiproton and Ion Research)实验室的PANDA(√S=2-5，5 GeV)等强子对撞机而言，这些非微扰效应就变得重要起来，特别是对于其上的小不变质量的Drell-Yan类型过程的理论预言，为了和相应的实验结果一致，它们可能起着关键的作用。收起

关键词 : 量子色动力学重求和超对称非微扰效应强子对撞机软胶子重求

10. 强子对撞机上QCD次领头阶水平的新物理研究

[学位论文] 张钺北京大学 2013年博士导师: 李重生共128页

摘要 : 位于欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)自2010年开始运行，质心系能量已达到了8TeV。LHC的运行为人们提供了精确检验粒子物理标准模型(Standard Model)以及探索超出标准模型之外新物理的有力工具。本文首先扼要介绍了LHC的实验现状。接下... 展开位于欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)自2010年开始运行，质心系能量已达到了8TeV。LHC的运行为人们提供了精确检验粒子物理标准模型(Standard Model)以及探索超出标准模型之外新物理的有力工具。本文首先扼要介绍了LHC的实验现状。接下来简要归纳了微扰QCD的基础知识，包括拉氏量、量子化和重整化、因子化定理和红外安全等内容，以及QCD次领头阶修正的计算方法等。尤其重点介绍了处理次领头阶红外发散的dipole减除法。在此基础之上，本文在QCD次领头阶水平上着重研究了强子对撞机上的某些新物理过程，其具体内容如下: 深入研究了强子对撞机上模型无关的味改变中性流诱导的tγ联合产生过程。不仅考虑了FCNC耦合顶点tqγ所诱导的过程，还考虑了FCNC耦合顶点tqg所诱导的过程，以及它们之间的混合效应。本文的计算结果表明，QCD次领头阶修正将Tevatron和LHC上的截面分别增大了50％和40％。考虑了混合效应后，QCD次领头阶修正将LHC上由tuV（V=γ，ｇ）顶点和tcV(V=γ，ｇ)顶点所诱导的截面分别增大50％和80％。此外，QCD次领头阶修正还降低了结果对标度的依赖性。本文还计算了一些重要的运动学分布，包括不变质量分布、末态粒子横动量分布等。研究了LHC上RS模型KK态胶子诱导的双喷柱产生过程的QCD次领头阶修正。首先，本文给出了标准模型和KK态胶子诱导的双喷柱过程的QCD单圈修正的完整螺旋度振幅表达式。接着，计算了它们的QCD次领头阶截面及其K因子随KK态胶子质量的变化关系。结果表明，QCD次领头阶修正降低了截面对标度的依赖性，使预言更加可靠。此外，本文还计算了Randall-Sundrum(RS)模型中的KK态胶子对标准模型双喷柱不变质量分布的影响。最后，通过与LHC最新的实验结果的比较，给出了对KK态胶子质量及其有关耦合常数的限制。和领头阶结果比较，上述QCD次领头阶效应显著减小了该模型中有关参数实验所允许的取值范围。收起

关键词 : 量子色动力学次领头阶QCD修正强子对撞机标准模型