希格斯粒子与重夸克相互作用及相关问题的研究

The precise study on Higgs boson coupling to heavy quarks is quite helpful for us to understand the origin of quark mass and find new physics beyond the Standard Model, and has become one of the hottest topics of theoretical and experimental study in high energy physics. To present a comprehensive and precise study, we choose the interaction between Higgs boson and heavy quarkonium as the research subjects to explore the Higgs boson coupling to heavy quarks. We will calculate the branching fraction of Higgs boson decaying to the heavy quarkonium and one photon at the QCD next-to-next-to-leading order, and discuss the uncertainties caused by the quark mass and energy scale. Moreover, we will also explore the QCD next-to-leading order correction to the production chain of the Higgs boson production in association of a Z boson and its decay to heavy quarkonium at the Higgs factories (such as CEPC), where the differential distribution, the signal-to-noise ratio and the signal reconstruction will be studied. Further, the QCD next-to-leading order correction to the production chain of Higgs boson hadronic production and its decay to heavy quarkonium or lepton pairs will also be studied, here the new physics effects will be explored in detail.

希格斯粒子与重夸克相互作用性质的精确研究对于揭示夸克质量起源、发现超出标准模型新物理具有重要科学价值，是当前高能物理理论和实验研究的重点和热点问题之一。以希格斯粒子与重夸克偶素的相互作用为突破口，我们将在次次领头阶的精度上计算希格斯粒子衰变产生重夸克偶素与光子的衰变分支比，分析讨论质量、能标等不确定性来源，系统和精确地研究希格斯粒子与重味夸克之间的相互作用性质。我们还将进一步研究在未来希格斯工厂（如CEPC）上，希格斯粒子的产生及其衰变到重夸克偶素的过程，在次领头阶的精度上分析截面微分分布、信噪比以及事例重建等，做好希格斯物理的理论预研工作。另外，我们也将研究LHC上希格斯粒子的产生及其衰变到重夸克偶素或重轻子对的次领头阶修正，探讨引入超出标准模型新粒子的新物理效应，对希格斯粒子与重夸克的相互作用展开更深入的探索。

Higgs粒子与夸克耦合的精确研究对于理解粒子物理标准模型中的Yukawa耦合机制以及发现新物理具有重要意义。Higgs粒子衰变产生重夸克偶素的遍举过程是研究Yukawa耦合的黄金过程。我们在本课题中研究Higgs粒子衰变产生粲夸克偶素和光子遍举过程，探索在未来环形正负电子对撞机（CEPC）实验中精确预言Higgs粒子与粲夸克的Yukawa耦合的可行性。另外，我们依托本课题深入研究了多种重夸克偶素和粲夸克新强子态的产生性质。.我们取得的主要成果可以归纳为四个部分，这些研究成果加深了我们对重夸克偶素以及新强子态X(3872)和Tcc(3875)的理解和认识。（1）我们完成了Higgs粒子衰变产生粲夸克偶素和光子过程的量子色动力学（QCD）次领头阶（NLO）计算。同时系统计算了Higgs粒子衰变产生基态以及高激发态的粲夸克偶素、底夸克偶素和Bc介子的单举过程，结果表明在未来的高能量大型强子对撞机（HE-LHC）上我们可以观测到Higgs粒子衰变产生高激发态的重夸克偶素信号。（2）我们系统研究了重夸克偶素和光子过程在未来超级Z工厂上的产生情况，为未来Z工厂相关实验提供参考数据。（3）我们深入研究了新强子态X(3872)和Tcc(3875)的粲介子分子态理论解释，从粲介子三角圈图的奇点效应入手探索X(3872)和Tcc(3875)的分子态解释。我们探索了X(3872)分子态在正负电子对撞机上的产生情况，提出Schmid效应是X(3872)为粲介子分子态的间接证据之一；探索了X(3872)在LHCb上的多重产生，指出实验结果与X(3872)分子态理论解释一致；研究了在LHC上通过粲介子三角圈图产生Tcc(3875)和π介子的性质，预言粲介子三角奇点会在Tcc(3875)和π介子不变质量谱中阈值上6.1MeV处产生一个宽度为1MeV的波峰，为实验研究提供了明确的观测物理量。此外，我们还在NLO的精度上进一步发展了伽利略不变的X(3872)有效场理论，简化了NLO修正计算的同时提高了有效理论的收敛性，为在NLO精度下研究粲介子分子态打下了理论基础。（4）我们分析了在CEPC实验中寻找暗光子和暗标量传播子两类新相互作用传播子的可行性，预言了不同置信度要求下所需的数据量。