最小Higgs模型中帶電標(biāo)量粒子與頂夸克在LHC上的產(chǎn)生

高銀浩,曹軍

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

最小Higgs模型中帶電標(biāo)量粒子與頂夸克在LHC上的產(chǎn)生

高銀浩,曹軍

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

除了類標(biāo)準(zhǔn)模型中的希格斯粒子,最小Higgs模型（LH）還預(yù)言了帶電的標(biāo)量粒子Φ±的存在.研究了該帶電的標(biāo)量粒子與單個頂夸克在大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）上的聯(lián)合產(chǎn)生過程.計算結(jié)果表明,在大部分參數(shù)空間內(nèi)產(chǎn)生截面在0.1 fb量級,很難通過該過程探測帶電標(biāo)量粒子的信號,但為區(qū)分其他新物理模型中的帶電標(biāo)量粒子,如最小超對稱（MSSM）模型中的帶電Higgs玻色子提供一個途徑.將來的LHC實驗可以通過該過程進(jìn)一步檢驗或排除LH模型.

Higgs模型（LH）；大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）；帶電的標(biāo)量粒子Φ±

2012年7月4日,歐洲核子中心宣布發(fā)現(xiàn)一個中性希格斯粒子,該發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致提出自發(fā)對稱破缺機(jī)制的Higgs P W和Englert F獲得2013年的諾貝爾物理獎,這是粒子物理領(lǐng)域的一個里程碑,它也標(biāo)志著標(biāo)準(zhǔn)模型中希格斯機(jī)制的巨大成功[1].然而,標(biāo)準(zhǔn)模型仍存在規(guī)范等級問題,人們普遍認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型只是TeV能標(biāo)下的一個低能有效理論,所有超出標(biāo)準(zhǔn)模型（SM）之外的新物理模型統(tǒng)稱為新物理.許多新物理需要引入擴(kuò)充的Higgs項,在這些擴(kuò)充項中就包含了SM中不存在的帶電Higgs玻色子.一旦發(fā)現(xiàn)這些帶電Higgs的信號就可以證實新物理的存在.歐洲的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個中性的Higgs信號,下一階段的一個很重要任務(wù)就是發(fā)現(xiàn)新物理存在的跡象.因而,在LHC上研究這些新的標(biāo)量粒子,特別是帶電的標(biāo)量粒子的產(chǎn)生有著重要的意義.

在眾多新物理模型中,一類被稱作小Higgs模型（LH）的理論引起人們的廣泛關(guān)注[2].它是為解決SM中小的等級問題所提出的一種有意義的方法.該模型的主要特征是把Higgs玻色子看作一個贗哥德斯通粒子.最小Higgs模型是小Higgs思想最簡單的一種實現(xiàn).它是一種SU（5）/SO（5）的非線性σ模型,滿足SU（5）整體對稱性,并通過一個正比于f的真空期望值破缺到SO（5）.最小Higgs模型引入重的規(guī)范玻色子、重的類矢夸克和重的標(biāo)量場分別來抵消標(biāo)準(zhǔn)模型中電弱規(guī)范玻色子、頂夸克和Higgs粒子的自耦合對Higgs粒子質(zhì)量帶來的圈圖發(fā)散.這些新粒子在高能對撞機(jī)實驗中會產(chǎn)生豐富的信號[3-8].

一旦發(fā)現(xiàn)帶電的標(biāo)量粒子,將直接表明新物理的存在.特別是當(dāng)帶電Higgs玻色子的質(zhì)量大于頂夸克質(zhì)量時,bg→tH-是在LHC上探測它最理想的過程.在LH模型中,Higgs玻色子做為一個輕的贗哥德斯通粒子而其他的哥德斯通粒子和SM中的規(guī)范玻色子產(chǎn)生質(zhì)量并形成了一個標(biāo)量三重態(tài).本文研究了帶電的Φ-在LHC上通過bg→tΦ-過程的產(chǎn)生.

1 LH模型和帶電標(biāo)量與頂夸克的協(xié)同產(chǎn)生

在LH模型中,規(guī)范作用和Yukawa相互作用破壞了SU（5）的整體對稱性,會在單圈階或更高階產(chǎn)生關(guān)于標(biāo)量場的庫爾曼-溫伯格勢,并引發(fā)電弱自發(fā)對稱破缺.標(biāo)量粒子的質(zhì)量可以由庫爾曼-溫伯格勢給出

式（1）中f是能標(biāo)參數(shù),v=246 GeV是電弱標(biāo)度,x是Higgs項中一個自由參數(shù),其范圍由式（2）給出

帶電標(biāo)量Φ±與第三代夸克的耦合可以表示為

式

圖1 LH模型中過程bg→tΦ-的費(fèi)曼圖Fig.1 Feynman diagrams of the process bg→tΦ-in the LH

在領(lǐng)頭屆,其產(chǎn)生振幅可以表示為

式（4）中

ε1是膠子的極化矢量.在質(zhì)心能量為14 TeV時,該過程的產(chǎn)生截面可以通過子過程產(chǎn)生截面的卷積得到.為了便于計算,采用CalcHep中的程序包進(jìn)行數(shù)值計算.

2 數(shù)值結(jié)果

在數(shù)值計算中,采用文獻(xiàn)[9]中的數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)模型中的輸入?yún)?shù).除此之外,產(chǎn)生截面還依賴于LH模型中的自由參數(shù)x和標(biāo)量粒子的質(zhì)量.在數(shù)值計算中,選取標(biāo)量粒子質(zhì)量的參數(shù)空間是800 GeV～1 600 GeV.

在LHC上質(zhì)心能量為14 TeV時,產(chǎn)生截面隨帶電標(biāo)量的質(zhì)量MΦ在3個混合參數(shù)取值下的變化曲線如圖2所示.

圖2 產(chǎn)生截面σ隨MΦ的變化曲線Fig.2 The production cross-section as a function of MΦ

由圖2可以看出,產(chǎn)生截面對x非常敏感,并隨x的增大而減小.在所有參數(shù)空間內(nèi),產(chǎn)生截面隨末態(tài)質(zhì)量的增大而減小.當(dāng)x=0.5時,產(chǎn)生截面所在的范圍是0.85～10.6 fb.如果假定LHC的年積分亮度可以達(dá)到100 fb-1,每年最多會有上千個事例產(chǎn)生.又討論了mh=125 GeV時產(chǎn)生截面σ（s）隨混合參數(shù)x的變化曲線,如圖3所示.

圖3 產(chǎn)生截面σ隨混合參數(shù)x的變化Fig.3 The production cross-section as a function of x

由圖3可以看出,產(chǎn)生截面在一定質(zhì)量范圍內(nèi)隨x的增加而減小.對于大的Higgs質(zhì)量,產(chǎn)生截面會由于相空間的壓低而減小.當(dāng)0≤x≤0.9和800 GeV≤MΦ≤1 600 GeV時,產(chǎn)生截面在0.13～304.8 fb的范圍.

在許多新物理模型中都預(yù)言了帶電標(biāo)量的出現(xiàn),如頂色輔助的人工色模型（TC2）中的Π±和最小超對稱模型（MSSM）中的H±.為了區(qū)別這些不同的帶電標(biāo)量,我們應(yīng)該比較相同產(chǎn)生過程它們的產(chǎn)生截面.我們的計算結(jié)果表明,LH模型中的產(chǎn)生截面小于TC2中的相似過程,但是與MSSM中的產(chǎn)生截面在大部分參數(shù)空間中很難區(qū)分.因此我們應(yīng)該比較它們不同的衰變模式.在MSSM中,帶電的Higgs可以衰變成τvτ,tb或者W±h.根據(jù)文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)果,荷電的Φ±在較小v'時主要衰變成SM中的輕子.因此它們有不同的模態(tài)信號從而可以進(jìn)行區(qū)分.在較大的v'時,Φ±主要衰變成tb.對于3b末態(tài),主要背景來自于次領(lǐng)頭屆的QCD過程由于強(qiáng)子對撞機(jī)上較大的QCD背景,很難在實驗上探測Φ±

3 小結(jié)

研究新的標(biāo)量粒子在LHC上的產(chǎn)生對驗證新物理的存在有重要的意義,pp→tH-過程提供了一種探測帶電標(biāo)量粒子非常理想的模式.在LH模型中,我們計算了LHC上pp→tΦ±+X過程的產(chǎn)生截面.計算結(jié)果表明大部分參數(shù)空間內(nèi)該過程的產(chǎn)生截面在0.1 fb的量級,小于其他模型中帶電標(biāo)量粒子的類的信號.似產(chǎn)生過程的產(chǎn)生截面.考慮到LHC上的較大的背景以及較低的產(chǎn)生事例,很難通過該過程來探測該帶電標(biāo)量粒子的信號.但是,本文的研究為區(qū)別LH模型和其他新物理模型中提供了一種可能性,因為只要在將來的實驗中通過該過程發(fā)現(xiàn)了帶電粒子存在的信號,就能排除LH模型.

[1]王青.規(guī)范粒子獲得質(zhì)量之路：解讀2013年諾貝爾物理學(xué)獎[J].科學(xué)通報,2001,58（34）：3483-3484.

[2]Arkani-Hamed N,Cohen A G,Katz E,et al.The littlest Higgs[J].Journal of High Energy Physics,2002,0207：034.

[3]岳崇興,楊碩,王磊.最小Higgs模型在ILC上可能的味改變物理跡象[J].高能物理與核物理,2007,31（3）：236-239.

[4]賈永,陳鵬.top-Higgs在高能線性對撞機(jī)上的產(chǎn)生[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2006,21（1）：93-95.

[5]Wang X L,Liu Y B,Chen J H,et al.The correction of the littlest Higgs model to the Higgs production process e+e-→e+e-H at the ILC[J].The European Physical Journal C,2007（2）：593-597.

[6]岳崇興,王微.R-b的測量值對最小Higgs模型的約束[J].高能物理與核物理,2005,29（9）：838-843.

[7]趙樹民,黃德寶,張建軍,等.在LH模型下研究過程[J].河北師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2011,35（6）：582-585.

[8]韓紅梅,杜霖霖,王學(xué)雷.中性Top-pion介子產(chǎn)生過程的研究[J].河南師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2006,34（3）：61-63.

[9]Olive K A.The review of particle physics[J].Chin Phys C,2014,38：090001.

（責(zé)任編輯：盧奇）

Production of charged scalars from the littlest Higgs model associated with top quark at LHC

Gao Yinhao,Cao Jun
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

Besides the SM-like Higgs boson,the littlest Higgs model（LH）also predicts the existence of a charged scalarΦ±.The associated production of the charged scalar with a single top quark at the Large Hadron Collider（LHC）In this paper was studied.The results showed that in the most of the parameter spaces,the production cross section is smaller than 0.2 fb and thus is difficult to be detected.However,it can open a window to distinguish the charged Higgs in other new physics models,such as the MSSM.Future LHC experiment can further test or exclude the LH model.

the littlest Higgs model（LH）；the Large Hadron Collider（LHC）；charged scalar

O645.14

A

：1008-7516（2015）01-0045-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.01.011

2014-10-27

高銀浩（1978—）,女,河南平頂山人,碩士,實驗師.主要從事理論物理研究.