最小Higgs模型中带电标量粒子与顶夸克在LHC上的产生

高银浩,曹军

（河南科技学院,河南新乡453003）

最小Higgs模型中带电标量粒子与顶夸克在LHC上的产生

高银浩,曹军

（河南科技学院,河南新乡453003）

除了类标准模型中的希格斯粒子,最小Higgs模型（LH）还预言了带电的标量粒子Φ±的存在.研究了该带电的标量粒子与单个顶夸克在大型强子对撞机（LHC）上的联合产生过程.计算结果表明,在大部分参数空间内产生截面在0.1 fb量级,很难通过该过程探测带电标量粒子的信号,但为区分其他新物理模型中的带电标量粒子,如最小超对称（MSSM）模型中的带电Higgs玻色子提供一个途径.将来的LHC实验可以通过该过程进一步检验或排除LH模型.

Higgs模型（LH）；大型强子对撞机（LHC）；带电的标量粒子Φ±

2012年7月4日,欧洲核子中心宣布发现一个中性希格斯粒子,该发现直接导致提出自发对称破缺机制的Higgs P W和Englert F获得2013年的诺贝尔物理奖,这是粒子物理领域的一个里程碑,它也标志着标准模型中希格斯机制的巨大成功[1].然而,标准模型仍存在规范等级问题,人们普遍认为标准模型只是TeV能标下的一个低能有效理论,所有超出标准模型（SM）之外的新物理模型统称为新物理.许多新物理需要引入扩充的Higgs项,在这些扩充项中就包含了SM中不存在的带电Higgs玻色子.一旦发现这些带电Higgs的信号就可以证实新物理的存在.欧洲的大型强子对撞机（LHC）已经发现了一个中性的Higgs信号,下一阶段的一个很重要任务就是发现新物理存在的迹象.因而,在LHC上研究这些新的标量粒子,特别是带电的标量粒子的产生有着重要的意义.

在众多新物理模型中,一类被称作小Higgs模型（LH）的理论引起人们的广泛关注[2].它是为解决SM中小的等级问题所提出的一种有意义的方法.该模型的主要特征是把Higgs玻色子看作一个赝哥德斯通粒子.最小Higgs模型是小Higgs思想最简单的一种实现.它是一种SU（5）/SO（5）的非线性σ模型,满足SU（5）整体对称性,并通过一个正比于f的真空期望值破缺到SO（5）.最小Higgs模型引入重的规范玻色子、重的类矢夸克和重的标量场分别来抵消标准模型中电弱规范玻色子、顶夸克和Higgs粒子的自耦合对Higgs粒子质量带来的圈图发散.这些新粒子在高能对撞机实验中会产生丰富的信号[3-8].

一旦发现带电的标量粒子,将直接表明新物理的存在.特别是当带电Higgs玻色子的质量大于顶夸克质量时,bg→tH-是在LHC上探测它最理想的过程.在LH模型中,Higgs玻色子做为一个轻的赝哥德斯通粒子而其他的哥德斯通粒子和SM中的规范玻色子产生质量并形成了一个标量三重态.本文研究了带电的Φ-在LHC上通过bg→tΦ-过程的产生.

1 LH模型和带电标量与顶夸克的协同产生

在LH模型中,规范作用和Yukawa相互作用破坏了SU（5）的整体对称性,会在单圈阶或更高阶产生关于标量场的库尔曼-温伯格势,并引发电弱自发对称破缺.标量粒子的质量可以由库尔曼-温伯格势给出

式（1）中f是能标参数,v=246 GeV是电弱标度,x是Higgs项中一个自由参数,其范围由式（2）给出

带电标量Φ±与第三代夸克的耦合可以表示为

式

图1 LH模型中过程bg→tΦ-的费曼图Fig.1 Feynman diagrams of the process bg→tΦ-in the LH

在领头届,其产生振幅可以表示为

式（4）中

ε1是胶子的极化矢量.在质心能量为14 TeV时,该过程的产生截面可以通过子过程产生截面的卷积得到.为了便于计算,采用CalcHep中的程序包进行数值计算.

2 数值结果

在数值计算中,采用文献[9]中的数据作为标准模型中的输入参数.除此之外,产生截面还依赖于LH模型中的自由参数x和标量粒子的质量.在数值计算中,选取标量粒子质量的参数空间是800 GeV～1 600 GeV.

在LHC上质心能量为14 TeV时,产生截面随带电标量的质量MΦ在3个混合参数取值下的变化曲线如图2所示.

图2 产生截面σ随MΦ的变化曲线Fig.2 The production cross-section as a function of MΦ

由图2可以看出,产生截面对x非常敏感,并随x的增大而减小.在所有参数空间内,产生截面随末态质量的增大而减小.当x=0.5时,产生截面所在的范围是0.85～10.6 fb.如果假定LHC的年积分亮度可以达到100 fb-1,每年最多会有上千个事例产生.又讨论了mh=125 GeV时产生截面σ（s）随混合参数x的变化曲线,如图3所示.

图3 产生截面σ随混合参数x的变化Fig.3 The production cross-section as a function of x

由图3可以看出,产生截面在一定质量范围内随x的增加而减小.对于大的Higgs质量,产生截面会由于相空间的压低而减小.当0≤x≤0.9和800 GeV≤MΦ≤1 600 GeV时,产生截面在0.13～304.8 fb的范围.

在许多新物理模型中都预言了带电标量的出现,如顶色辅助的人工色模型（TC2）中的Π±和最小超对称模型（MSSM）中的H±.为了区别这些不同的带电标量,我们应该比较相同产生过程它们的产生截面.我们的计算结果表明,LH模型中的产生截面小于TC2中的相似过程,但是与MSSM中的产生截面在大部分参数空间中很难区分.因此我们应该比较它们不同的衰变模式.在MSSM中,带电的Higgs可以衰变成τvτ,tb或者W±h.根据文献[6]的研究结果,荷电的Φ±在较小v'时主要衰变成SM中的轻子.因此它们有不同的模态信号从而可以进行区分.在较大的v'时,Φ±主要衰变成tb.对于3b末态,主要背景来自于次领头届的QCD过程由于强子对撞机上较大的QCD背景,很难在实验上探测Φ±

3 小结

研究新的标量粒子在LHC上的产生对验证新物理的存在有重要的意义,pp→tH-过程提供了一种探测带电标量粒子非常理想的模式.在LH模型中,我们计算了LHC上pp→tΦ±+X过程的产生截面.计算结果表明大部分参数空间内该过程的产生截面在0.1 fb的量级,小于其他模型中带电标量粒子的类的信号.似产生过程的产生截面.考虑到LHC上的较大的背景以及较低的产生事例,很难通过该过程来探测该带电标量粒子的信号.但是,本文的研究为区别LH模型和其他新物理模型中提供了一种可能性,因为只要在将来的实验中通过该过程发现了带电粒子存在的信号,就能排除LH模型.

[1]王青.规范粒子获得质量之路：解读2013年诺贝尔物理学奖[J].科学通报,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]岳崇兴,杨硕,王磊.最小Higgs模型在ILC上可能的味改变物理迹象[J].高能物理与核物理,2007,31（3）：236-239.

[4]贾永,陈鹏.top-Higgs在高能线性对撞机上的产生[J].郑州轻工业学院学报,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]岳崇兴,王微.R-b的测量值对最小Higgs模型的约束[J].高能物理与核物理,2005,29（9）：838-843.

[7]赵树民,黄德宝,张建军,等.在LH模型下研究过程[J].河北师范大学学报：自然科学版,2011,35（6）：582-585.

[8]韩红梅,杜霖霖,王学雷.中性Top-pion介子产生过程的研究[J].河南师范大学学报：自然科学版,2006,34（3）：61-63.

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

（责任编辑：卢奇）

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

高银浩（1978—）,女,河南平顶山人,硕士,实验师.主要从事理论物理研究.