LHC上Higgs耦合特性研究中的新物理探索

One of the main objectives of the experiments at the Large Hadron Collider (LHC) is to search for Higgs boson and precisely measure its properties. Recently, the ATLAS and CMS Collaborations at the LHC find a new particle as the candidate of Higgs boson. But the experimenters need to precisely measure its properties before determining whether it is predicted Standard Model (SM) Higgs boson. Any deviation from the SM prediction hints at the existence of new physics beyond the SM. In this project, we will study the NLO QCD corrections to Higgs boson production in association with a top quark pair (or vector boson pair) at the LHC in the SM and Little Higgs Model (LHM). Through this study, we can precisely test the couplings of Higgs boson with top quark (or vector boson) and analyse the relationships between the physical observable quantities and the LHM parameters. We will discuss the differences of the physical observable quantities in the SM and LHM, present the LHM parameter space in which there are possible new physics signals at the LHC. Meanwhile, we will suggest the technique to identify the new physics signals. Our work will provide precise theoretical foundations for the measuring of the couplings of Higgs boson with top quark (or vector boson) and finding the more strict constraits on the LHM parameters in the experiments at the LHC.

寻找Higgs粒子以及精确测量其物理性质是大型强子对撞机（LHC）的一个重要物理实验目标。ATLAS和CMS合作组近来探测到一个新粒子作为Higgs粒子候选，实验上还需精确测量其性质，才能确定其是否为标准模型（SM）预言的Higgs粒子，任何和SM预言相背离的性质都预示着新物理存在的证据。本项目计划在SM和小Higgs模型下通过对LHC上Higgs伴随顶夸克对（或矢量玻色子对）产生过程的NLO QCD修正研究，精确检验Higgs与顶夸克（或矢量玻色子）的耦合特性，分析各可观测量与小 Higgs模型参数的关系以及它们在两种模型下的差别，给出LHC上可能存在新物理信号的小Higgs模型参数空间以及鉴别新物理信号的方法，为LHC实验上精确测量Higgs与顶夸克（或矢量玻色子）的耦合性质以及给出小Higgs模型参数更严格的限制提供精确的理论依据。

2012 年，欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)上的ATLAS和CMS两个实验组同时声称发现了一个质量在125 GeV 附近的新的玻色子。现有的实验分析表明这个新的粒子极有可能是粒子物理标准模型中的Higgs。这一发现是粒子物理历史上极其重要的成就。但是，这仅仅是理解电弱对称性破缺的第一步。对类标准模型的Higgs 玻色子以及在TeV 能标下超出标准模型的新物理的更进一步的精确研究是迫切需要的。小Higgs模型是众多新物理模型中很有希望的一个，对其进行精确研究是十分必要的。本项目首次在小Higgs模型下对Higgs玻色子对产生过程的QCD修正进行了系统的研究，相关研究成果已以论文的形式正式发表。我们的研究为LHC实验对小Higgs模型的进一步探索以及Higgs耦合特性的检验提供了精确的理论依据。项目总体上完成了既定的目标，只是在研究内容上根据实际情况做了调整。LHC上Higgs玻色子对产生过程因在标准模型下截面很小，所以在新物理中却备受关注, 该过程对探索新物理、检验Higgs自耦合以及探讨与Higgs耦合的更重粒子的存在性等问题的研究中，是一个主要的研究对象。本项目在小Higgs模型下，通过对LHC 上重Z规范玻色子（ZH）对的产生来研究Higgs玻色子对的产生事例，并着重讨论其中的次领头阶QCD效应。在对该产生过程次领头阶QCD效应的研究中，我们采用费曼图减除方案, 采用该方案既可以避免重复计算的问题，同时又能够保证微扰QCD的收敛性。通过对领头阶以及QCD修正后的总截面随重整化和因子化能标变化行为的研究，我们发现QCD 修正后的积分截面对能标的依赖性有些许降低。通过在壳ZH 的级联衰变，我们可以得到典型的末态产物的运动学分布。在选用了合理的四底夸克事例选择方案后，我们观察到领头阶的分布被QCD修正很可观地增大了。我们选用末态所有四个底夸克横动量之和（HT）为观测量，通过对该观测量在标准模型的背景和我们所研究的产生信号中的分布行为的比较，我们发现了明显的差别。因此，通过选用合理的HT 观测窗口，我们可以把双Higgs 的信号事例从标准模型的背景中分离出来。总之，本项目通过对小Higgs模型下Higgs玻色子对产生过程的QCD修正研究，为LHC实验上进一步探索小Higgs模型以及精确检验Higgs粒子的耦合特性提供了精确的理论依据。