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《清华大学》 2015年
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超越标准模型:粒子物理与宇宙学中的希格斯引力作用

鲜于中之  
【摘要】:本文从电弱对称性破缺与宇宙暴胀两个角度,研究Higgs场的万有引力相互作用理论及其可观测效应.本研究旨在探索量子引力在电弱对称性破缺机制中可能的作用与效应、探索Higgs场驱动早期宇宙暴胀的新机制,从而深化我们对超越标准模型的电弱对称性破缺以及量子引力的认识.在粒子物理方面,本文首先研究时空维数自发缩减(SDR)这种新奇量子引力现象.为此,本文将建立一套模型无关的SDR有效场论,并将其应用于电弱破缺尺度,以展示SDR对纵向玻色子散射分波振幅的幺正性的改善.本文同时计算了SDR以及量子引力导致的Higgs反常耦合在纵向玻色子散射中的新信号.其次,本文研究Higgs场与时空的标量曲率间的非最小耦合的物理效应.为此,本文在Jordan系和Einstein系中分别显式验证Goldstone玻色子等价定理,验证Jordan系和Einstein系对于计算规范玻色子散射振幅的等价性,并由此推导出对非最小耦合的定量幺正性限制,及其在LHC与未来对撞机上的信号.在暴胀宇宙学方面,本文将介绍以标准模型Higgs玻色子为暴胀子的Higgs暴胀模型,并仔细研究该模型的幺正性问题.通过计算大背景场下的Goldstone粒子散射振幅,本文得到了对暴胀理论的定量幺正性限制,确证了Higgs暴胀的幺正性.本文也介绍量子修正对Higgs暴胀的影响,并讨论Higgs真空的稳定性对Higgs暴胀的限制,以及在此类暴胀模型中超越标准模型的必要性.随后,本文将介绍三类在新物理框架下实现Higgs暴胀的机制.首先,我们讨论质量在TeV尺度的中性玻色子与矢量型夸克对Higgs暴胀的影响.这些新粒子与Higgs场的相互作用可改善Higgs真空稳定性,同时可扩展理论的参数空间.其次,我们介绍一类无标超引力框架下的大统一理论,以及Higgs暴胀在其中的实现.为此,我们首先以超对称SU(5)大统一理论为例,解释此类模型的构造,并得到平方势和指数平坦的Starobinsky势,作为此类模型的两个特殊极限.随后我们将此类模型推广到Flipped SU(5)理论与Pati-Salam模型.最后,我们介绍渐进安全量子引力中的Higgs暴胀.其中,我们在紫外选取引力的非高斯固定点与物质场耦合的高斯固定点,这使得Higgs势在高能区足够平坦且满足慢滚条件,从而能够驱动早期宇宙的暴胀.这三类Higgs暴涨模型均可确保Higgs真空的稳定性,并与Higgs玻色子和顶夸克质量的对撞机测量结果相容.
【关键词】:超越标准模型 量子引力 纵向玻色子散射 Higgs暴胀
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:O572.2
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-7
  • 第1章 引言7-13
  • 第2章 电弱与引力相互作用理论简介13-36
  • 2.1 电弱对称性破缺与BEH机制13-17
  • 2.2 广义相对论与引力的有效场论17-21
  • 2.3 超越标准模型:超对称与大统一21-28
  • 2.3.1 整体超对称与最小超对称标准模型21-26
  • 2.3.2 大统一理论26-28
  • 2.4 量子引力模型简介28-36
  • 2.4.1 超引力28-31
  • 2.4.2 其他量子引力模型与维数自发缩减31-36
  • 第3章 Higgs-引力作用与弱规范玻色子散射36-66
  • 3.1 维数自发缩减及其有效理论36-50
  • 3.1.1 电弱破缺的SDR有效理论36-40
  • 3.1.2 分波分析与幺正性40-44
  • 3.1.3 TeV尺度SDR下的纵向玻色子散射截面44-48
  • 3.1.4 讨论48-50
  • 3.2 Higgs场与引力的非最小耦合50-66
  • 3.2.1 Jordan系与Einstein系50-56
  • 3.2.2 弱规范玻色子散射振幅与等价定理56-63
  • 3.2.3 散射截面与对撞机信号63-66
  • 第4章 标准模型Higgs暴胀66-89
  • 4.1 暴胀宇宙学简介66-73
  • 4.1.1 经典动力学67-69
  • 4.1.2 量子涨落与暴胀观测量69-73
  • 4.2 Higgs暴胀的经典理论73-76
  • 4.3 Higgs暴胀的幺正性76-80
  • 4.4 Higgs暴胀的量子修正80-89
  • 4.4.1 Higgs真空稳定性问题81-83
  • 4.4.2 Higgs暴胀势的量子修正83-88
  • 4.4.3 Higgs暴胀的参数空间:大 情形与临界情形88-89
  • 第5章 Higgs暴胀:超越标准模型89-117
  • 5.1 Higgs暴胀与TeV质量的重粒子90-100
  • 5.1.1 模型结构90-93
  • 5.1.2 暴胀势与暴胀观测量93-99
  • 5.1.3 讨论与小结99-100
  • 5.2 超引力中的Higgs暴胀100-111
  • 5.2.1 概述101-102
  • 5.2.2 无标SU (5) 大统一理论102-108
  • 5.2.3 推广:Flipped SU (5) 模型与Pati-Salam模型108-111
  • 5.3 渐进安全的Higgs暴胀111-117
  • 第6章 结语117-120
  • 参考文献120-136
  • 致谢136-138
  • 附录A n维时空散射振幅与散射截面的幺正性条件138-142
  • 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果142-143

【参考文献】
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【二级参考文献】
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