使用顶夸克探测TeV能标的新物理的研究

Top-quark, because of its heavy mass, is believed to provide a good probe into new physics effects. In the majority of new physics models, deviations are predicted from the stardard model in the top-quark interactions. Also, the top-quark commonly appears in the decay of new physics particles and its polarization is senstive to the interaction between the top-quark and new physics particles. The top-quark is the only "bare" quark whose spin information can be measured from its decay products, as it decays before hadronization. In this proposal the principle investigator is going to examine the discovery potentialof new physics in the top-quark produciton and decay at the large hadron collider (LHC). The topics are summarized as follows: (1) adapt the effective field theory to explore the potential of measuring those effective operators contributing to the top-quark production and decay at the LHC; (2) develop a novel method of measuring the top-quark polarization when there are more than two invisible particles in the final state; (3) utilize the method to measure the top-quark polarizations in the stop-quark pair production in the MSSM model and the pair production in the Littest Higgs boson model with T-parity (LHT). The top-quark polarization depends on the stop-quark mixing in the MSSM and the symmetry breaking scale in the LHT, respectively.

顶夸克是探测新物理的有效探针。它是众多新物理模型中新粒子的主要衰变产物。顶夸克的极化性质反映了丰富的新物理的结构信息。本课题将结合当前国内外顶夸克物理的研究现状，以及申请人的工作基础，围绕顶夸克产生和衰变的主要过程来探索新物理存在的证据。此项目的主要研究内容包含：采用有效理论的方法做模型无关的研究，探讨LHC精确测量顶夸克有效算符和各算符之间关系的潜力；力求完善测量顶夸克极化的方法，并将之推广到有多个不可测量末态粒子（例如暗物质候选者）的情况；利用顶夸克极化测量MSSM模型中的 混合矩阵和LHT模型中的对称性破缺能标。通过本项目的研究，力求完善顶重构顶夸克和测量顶夸克极化的方法，深入了解新物理模型的对称性结构，拓宽对新物理的理解。

寻找超出标准模型之外的新物理模型是大型强子对撞机的核心任务。在基金资助期间本研究项目总计发表论文13篇，研究了与顶夸克相关的新物理唯象学，并进一步探讨欧洲大型强子对撞机上的新物理唯象学。1）顶夸克自旋关联效应导致了顶夸克前后不对称性和带电轻子前后不对称性之间存在关联，此关联可以区分不同新物理模型。2）顶夸克极化性质可以探测2HDB新物理模型中模型参数tan(beta)。3）提出在正负对撞机上测量Vtb矩阵元的实验方案，无需引入3代费米子和CKM混合矩阵幺正性假设。研究基于有效场论，不依赖于具体模型，具有普适性。4）研究在正负电子对撞机上通过muon子对产生过程探测近间并暗物质模型的圈图效应；通过希格斯粒子和光子联合产生过程探测新物理简并的参数空间。5）论证双希格斯粒子产生过程可以区分单希格斯粒子产生过程所无法分辨的新物理模型简并参数空间。6）探讨新规范群扩充模型的唯象学，特别是双规范玻色子对产生过程的实验反常信号，指出不同的散射道数据之间存在矛盾。工作多次被实验组正面引用。主办国际会议3次，主办国内会议14次，在国际会议上应邀做3次大会报告，多次在国内研究生暑期学校授课。

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