強子對撞機大橫動量物理（簡體書）

引 言

概 述

高能物理學中的標準模型(SM) 已成為人類智能的集大成者之一，它發軔於大約一個世紀前電子——第一種基本的類點粒子||的發現。近十年來，神出鬼沒的頂夸克和 ??中微子相繼被發現。已被標準模型預言但還未被發現的粒子僅剩下希格斯粒子，其真空場據信為宇宙間所有粒子賦予質量(①。本書即致力於在質子{反質子對撞機上搜索希格斯粒子，這些加速器使質子和(反) 質子發生對撞。的確，人們在正負電子對撞機上也進行了相輔相成的努力，但它們超出了本書的討論範圍。

概略而言，本書第1章是標準模型的一個總結，給出了組成標準模型的粒子以及它們之間的相互作用，相關的數學細節安排於附錄A。第1章以標準模型未回答、但看似又有基礎重要性的12個問題結束。接下來的4章關注涉及電弱對稱性破缺和希格斯玻色子的最初兩個問題。

在第2章，我們考察“一般的”通用目的探測器，它是那些用於質子-(反)質子對撞機中的探測器的一個代表。特別地，我們要檢查第1章介紹的標準模型粒子在何種程度上能被“幹凈利落”地鑒別和測量。標準模型粒子的動量矢量和位置能被測量的精度十分重要，因為這會影響希格斯粒子的搜索策略。

第3章涉及質子-(反)質子對撞機中粒子產生的一些特定議題。給出的相關公式使讀者能估算任意過程的反應率。此外，COMPHEP 程序則可以改善最初的估計。不過，我們強烈鼓勵讀者在調用COMPHEP 或其他蒙特卡羅程序前先進行“粗略估算”。如在Ⅸ頁“工具”一節的討論，COMPHEP 程序在附錄B中給予說明，讀者可直接使用。運動學的細節在附錄C 中給出。

第4章討論對撞機近期采集的數據如何透露出標準模型的預言。這一章是關於質子-(反)質子對撞機上探索的大橫動量現象物理學現狀的“快照”。

第5章，我們開始冒險跳出現有數據的束縛。這一章致力於難以捉摸的希格斯玻色子的搜尋。大部分描述涉及位於歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)，這一裝置計劃在2007年投入運行(②，專門設計用來搜索和發現希格斯標量(零自旋)。不過，我們將看到這一搜索可能是漫長而艱巨的。

最終在第6章，回到第1章提及的另外10個基本問題，給出了一些超出標準模型框架的理論線索及其結果。特別是討論了自然界一種新的對稱性——聯系時空和粒子自旋的超對稱性(SUSY) 的可能性，它可能在不久的將來被發現。

適 用 範 圍

本書用到的數學復雜性不超過微積分。然而，提到的概念則需要較好的量子力學和狹義相對論知識，以及對場論的些許熟悉。其中，費恩曼圖的知識是必需的，部分因為正文給出了費恩曼圖的例子，同時COMPHEP 提供任意給定過程的費恩曼圖。本書的目標讀者是粒子物理方向高年級的研究生或研究人員。不過，為了適用於盡可能廣泛和年輕的學生讀者，不得不犧牲完整的理論嚴格性。

單位制

本書使用高能物理中的常見單位制。普朗克常數的量綱為動量(P)乘以長度(x)或者能量(E)乘以時間(t)。(請回憶海森伯不確定性原理，。) 於是 的量綱為能量乘以長度，數值上是0.2 GeV·fm。這裡，能量單位使用電子伏(eV)，即1個電子通過1伏電勢差所獲得的能量，1 GeV = eV。長度單位通常使用費米(fm)，1 fm = cm，這是質子的大致大小。

其他具有能量單位的物理量正比於質量(m)、和動量cP。本書采用單位制，這樣質量單位和動量一樣，由GeV給出；例如，質子質量是0.938 GeV。利用，長度 x 和 ct 將具有能量倒數的量綱。符號[ ]表示一個物理量的量綱。讀者應容易恢復單位制，只需將P換為cP，m換成，等等。

回想耦合常數表示相互作用的強度並刻畫某個特定的力。例如，電磁學耦合常數是電子電荷e，“精細結構”常數無量綱。電磁勢能是U(r) = eV (r) =，其中V (r)是電磁勢。這樣e2的量綱是能量乘以長度，[e2] = [V (r)r]，和的量綱一樣。因此在我們采用的= c = 1 單位制中，e 也無量綱。??~ 1=1/37，可以發現e~ 0.303。對於另外兩種強力和弱力，耦合常數以 gi 表示，相應的精細結構常數用 ?i 表示，其中i = s，W。

本書截面?的單位使用靶b (1 b= 10?24cm2)。注意(hc)2 = 0.4 GeV2·mb，這裡1 mb = 10?27 cm2。COMPHEP 軟件中截面的單位用pb，1 pb = 10?12 b，能量單位用GeV。舉一個例子：當質心(CM) 能量為1 TeV = 1000 GeV，不計動力學和耦合常量，簡單的量綱分析給出截面的標度預期為?~1/s~400 pb。

工具

本書給出的例子和習題都廣泛使用計算工具COMPHEP，目的在於將正文略形式化的學術描述拓展為給與讀者“親自動手”操作的互動模式。我們的計劃是讀者應解決正文中的例題和課後練習，以期隨後能夠完全獨立解決問題。COM-PHEP 運行於WINDOWS 平臺，這也是我們采用它的原因，目的是提供計算工具的最大可用性。LINUX 操作系統也有相應的版本。

COMPHEP 程序是開源的。本書采用的方法是先代數計算，這使讀者可以對考慮的物理量作粗略“估算”。然後再用COMPHEP 軟件進行更細致的檢查。附錄B中詳盡解釋了COMPHEP 的使用和說明，並給出了一個完整的例子。此外還給出了獲取(壓縮的) 可執行程序和用戶指南的網站。作者也在uscms.fnal.gov/uscms/dgreen 網站提供了這些材料。在winzip和pkware可下載開源軟件，用於解壓文件。

簡單介紹一下參考文獻的獲取。高能物理領域互聯網檔案的使用相當先進，讀者可直接在相關網站搜索研究文獻。最好的網站之一是洛斯·阿拉莫斯(Los Alamos)(①預印本服務器，xxx.lanl.gov(①。在該網站的“physics”下面的“High Energy Physics-Experiment” (hep-ex) 選項中可以檢索作者，查找最新的論文預印本，或近期預印本，或摘要，還可以用“find”功能在選擇的專題中檢索。本書每章結尾引用的許多文獻都指向此網站，讀者可直接獲取。

用以閱讀存檔文獻的文件格式——ps和pdf文件——的開源程序也可以從網上獲取。

另一個有用的站點是Fermilab②預印本圖書館fnalpubs.fnal.gov，它也在本書的參考文獻中被大量引用。在這裡可以下載Fermilab的文獻，點擊“preprints”後點擊“search”能按作者或論文標題檢索，然後就可以下載全文。第1章給出了一道讀者搜索文獻的練習。

高能物理的數據綱要可以在粒子數據組(Particle Data Group) 網站pdg.lbl.gov中查到。較長的綜述文獻全文可在AnnualReviews找到，使得學生能檢索一些參考文獻中給出的更長的文章。

顯然，本書旨在更實時地傳遞給讀者信息。全書6章末尾處列出的部分參考文獻實際是專著。它們本身就包涵了豐富的知識資源，並且是額外的原始文獻資源。

( ( ① 2012 年，歐洲核子研究中心宣布在大型強子對撞機上發現了希格斯玻色子。——譯者注

( ② CERN LHC 實際在2008 年投入運行。——譯者注

( ① 洛斯·阿拉莫斯國家實驗室(LANL)。方便起見，以下將保留LANL、Fermilab(費米國家加速器實驗室) 等稱謂，而不使用譯名。——譯者注

① 現址：arxiv.org。——譯者注

② 費米國家加速器實驗室（FNAL）於歷史原因，它也常被稱為“Fermilab”。本書後文將直接使用Fermilab，而不做翻譯。——譯者注

目 錄

第1章 標準模型和電弱對稱性破缺 1

1.1 能量前沿 1

1.2 標準模型的粒子 2

1.3 規範玻色子與費米子的耦合 5

1.4 規範玻色子的自耦合 7

1.5 COMPHEP 計算玻色子自耦合 8

1.6 玻色子和費米子的希格斯機制 11

1.7 希格斯相互作用和衰變 14

1.8 標準模型尚未解決的問題 17

第2章 探測器基礎 21

2.1 標準模型粒子——映射到探測器子系統 21

2.2 徑跡和“b標識” 25

2.3 電磁量能學——電子(e)和光子(?) 29

2.4 強子量能法——夸克與膠子噴注及中微子(丟失的ET) 33

2.5 ?子系統 46

2.6 典型的非彈事例 49

2.7 D0 和CDF 的復雜事例拓撲 52

第3章 對撞機物理 56

3.1 相空間和快度——“平臺” 57

3.2 源函數——質子到質子 59

3.3 兩體形成運動學 66

3.4 質子的類點散射 67

3.5 2 到1 Drell-Yan 過程 69

3.6 2→2 衰變運動學——“背靠背” 76

3.7 噴注碎裂 83

第4章 Tevatron 物理 89

4.1 QCD——噴注和雙噴注 90

4.2 確定?s 93

4.3 直接光子產生 95

4.4 FNAL 的b 夸克產生 98

4.5 Fermilab 的t 夸克產生 100

4.6 Drell-Yan 以及輕子復合體 105

4.7 電弱產生 107

4.7.1 W 玻色子質量和寬度 107

4.7.2 W 的橫動量 112

4.7.3 W 玻色子不對稱性 113

4.7.4 Z 的b 對衰變，噴注譜學 115

4.8 來自精確電弱測量的希格斯質量 115

第5章 希格斯搜尋策略 122

5.1 LHC 截面 123

5.2 希格斯與“圈”的直接耦合 125

5.3 希格斯產生率 127

5.3.1 gg聚合 127

5.3.2 WW 聚合及“標識” 噴注 129

5.3.3 協同產生——HW、HZ、Htt 133

5.3.4 希格斯的對產生 135

5.3.5 三重規範玻色子產生 137

5.4 希格斯分支比和搜尋策略 137

5.4.1 b 142

5.4.2 ?+?? 143

5.4.3 ?? 145

5.4.4 WW→(l?)(l?) 146

5.4.5 ZZ→4l 148

5.4.6 ZZ→2l+2J 153

5.4.7 ZZ→2?+2J 154

5.5 亮度和發現的限制 154

5.6 希格斯質量的下限 156

第6章 超對稱及高能物理的開放問題 160

6.1 代 161

6.2 混合參數 163

6.3 質量標度 165

6.4 GUT 165

6.5 超對稱性——質子穩定性和耦合常數 173

6.6 SUSY-LHC 截面 175

6.7 SUSY 信號與譜 178

6.8 宇宙學常數(和SUSY?) 184

6.9 SUSY 和引力 185

附錄A 標準模型 190

附錄B 一個COMPHEP工作範例 198

附錄C 運動學 208

附錄D 跑動耦合 212