在加速器上研究超出标准模型的新物理

即将开始物理取数的LHC 实验是高能物理学乃至整个自然科学的最前沿最重要的探索之一。在LHC上研究超出标准模型新物理是本项目的主要物理目标。本项目将以我们过去多年的研究为基础，围绕与电弱对称性自发破缺机制和暗物质物理有关的方面进行研究，主要内容有：（1）希格斯物理，其中主要是尚没有充分探索的黑格斯粒子在LHC/ILC上的信号；超对称模型中的黑格斯物理；最小左右手模型中的希格斯物理；其他可能新模型中的黑格斯物理等等；（2）通过规范玻色子散射过程探索强作用导致的电弱对称性破缺机制和暗物质粒子的研究，尤其是对此类散射过程量子辐射修正的精确计算等；（3）其他可能的电弱对称性破缺机制；（4）暗物质的加速器研究。本项目重点研究新模型中黑格斯粒子和其他新粒子（尤其是暗物质粒子）的性质，尤其探索它们在LHC和ILC上的行为，从而发现、甄别电弱对称性破缺的机制和探索超出标准模型新物理（特别是暗物质）。

本项目我们主要进行了三大类的研究。（1）Higgs粒子有关的研究。2012年LHC发现Higgs粒子是高能物理近几年最重要的实验发现。(i)我们研究了实验数据与标准模型预言的比较，发现标准模型可以与数据一致，但新物理仍有巨大的空间。(ii)我们提出Higgs质量与自发CP破坏可能存在密切的联系，这也意味着新发现的粒子与标准模型预言可能不一致，并存在额外的Higgs粒子，包括带电Higgs粒子。(iii)我们考虑了top夸克的极化，并利用它来压低它与带电Higgs粒子联合产生的背景，并研究如何更好地测量重要的参数tan(beta)。(2)顶夸克前后不对称的研究。在以前工作的基础之上，我们提出了LHC上两种新的实验可观测不对称性： “单边前后不对称性”(one-side forward-backward asymmetry) , 以及“边缘电荷不对称性”(edge charge asymmetry)。我们建议：利用LHC上质子-质子对撞中，价夸克与海夸克的动量分布不同，如果对于顶夸克对在z-方向的动量进行截断，那么就会产生前后不对称性。在标准模型中，导致这种不对称性的机制与Tevatron测量的相同。计算表明，甚至在7TeV的LHC上，单边前后不对称性可以达到百分之几，在10/fb的亮度下(LHC设计低亮度运行一年)，这个观测量的置信度可以达到大于10。单边前后不对称性要求顶夸克对的动量信息，然而如果利用顶夸克的半轻衰变模式，那么这个观测量会因为丢失的中微子使得测量的精度受到影响，在此基础之上，我们提出了“边缘电荷不对称性”从而避免了这个问题。因为，我们只需要精确知道强子衰变顶夸克的动量信息。同时，这个观测量避免了大量由于胶子-胶子聚合产生顶夸克对于不对称性的污染。我们还把不对称性的研究推广到其他末态，并把它利用到Z’的研究当中。(3)Lithium问题的研究。我们提出可能在BBN时期存在非热成分，即BBN时期的宇宙射线，它的存在可以解释一直存在的Lithium-7问题。而BBN时期的宇宙射线的来源可能是新的加速机制造成的，也可能来源于暗物质。