对称性破缺理论机制与 LHC 实验探测新物理的研究

The key physics goal of CERN LHC is to probe the "Mechanism of Symmetry Breaking and Origin of Mass". The LHC started to run at 7 TeV collision energy from March 2010 until the end of 2011. It had successfully taken data and published a series of new experimental results. Especially, the possible mass-ranges of the standard model (SM) Higgs boson have been strongly constrained. The LHC will start to run at the 8 TeV collision energy from this March, and is planned to accumulate about 15/fb integrated luminosities by the end of this year. The LHC is expected to obtain important new results, especially, this will determine the existence or non-existence of the SM Higgs boson, and further point to the true direction for the new physics searches. The current proposal builds upon the previous research works of the applicant, closely inspects and cooperates with the newest progresses at the LHC, fully explore the new mechanisms of symmetry breaking and mass-generations, in particular, the key mechanisms for the possible existence or non-existence of Higgs boson, as well as the dark matter genesis and detection, and the relevant signals at the LHC. We will systematically analyze the quantitative predictions and tests of the LHC experimental signatures. We will continue the close cooperation with Chinese experimental groups in both ATLAS and CMS collaborations, and systematically analyze and simulate the new physics signals and corresponding backgrounds. We will actively push the joint cooperations between our theory group and the experimental groups for the new physics searches at the LHC.

CERN大型强子对撞机 LHC的核心物理目标就是要探索"对称性破缺机制和质量起源"。LHC于2010年3月开始在7 TeV对撞能量运行至2011年底，已成功获取数据并发表了一系列新实验结果，对标准模型希格斯粒子可能的质量范围给出了很强的限制。LHC今年3月起将在8 TeV对撞能量运行，并计划年底前积累15/fb 积分亮度，预期将取得重要新物理结果，尤其是将确定标准模型希格斯粒子是否存在，为探索新物理进一步指出方向。本项目将在申请人原有工作基础上，紧密结合LHC的最新实验进展，深入研究对称性破缺和质量起源的新理论机制；尤其是希格斯粒子可能存在和不存在的各种关键机制，暗物质的起源和暗物质粒子的直接探测和LHC的相关信号；系统分析LHC上实验信号的定量预言和检验，继续与国内ATLAS和CMS组的实验同行密切合作，系统地进行新物理信号和实验背景的分析与模拟，积极推动理论与实验合作和共同探索。

2013-2016年我围绕此重大课题积极展开研究。LHC Run-2于2015年春在13TeV对撞能量下运行至今，ATLAS和CMS已分别获取超过30/fb的数据。这对于进一步提高统计置信度和发现超标准模型新物理非常重要。我紧密结合LHC和未来对撞机计划及相关宇宙学和中微子实验的最新进展，对希格斯新物理、暗物质、宇宙暴胀、暗能量、和中微子混合与振荡进行了创新性研究。我与实验同行展开密切合作，推动新物理的分析和检验。(1).希格斯新物理：提出标度不变的新Higgs机制，解决Higgs的自然性问题，预言了LHC上的新Higgs信号和新暗物质候选者。分析预言较重希格斯通过的新衰变道Hhh的各种末态和LHC探测精度。分析预言CEPC对新物理能标的探测精度，和SPPC对希格斯自耦合新物理的探测精度。(2).希格斯的引力作用,暴涨理论,和暗能量的检验：系统研究了希格斯粒子的引力相互作用，首次证明了希格斯与引力作用遵守弱规范玻色子纵分量散射的"等价定理"；提出在LHC和SPPC上检验希格斯与引力作用的新反应道。系统研究希格斯暴胀理论的幺正性限制，定量给出可靠参数空间，解决了文献中的长期争论。提出了三种新的希格斯暴胀理论，与宇宙学观测和对撞机实验符合。提出了通过引力透镜直接探测暗能量的新方法。(3).暗物质物理：提出了关于暗物质候选者的三种新理论预言：镜像暗物质、标度不变暗物质、引力暗物质。并研究它们通过直接探测、间接探测和对撞机探测进行检验。(4).中微子物理：使用轻子幺正三角形的几何方法推导了中微子振荡在真空和物质中的几何表述和新公式，首次证明振荡CP相移与幺正三角形角度定量相等，证明振荡公式最多只包含3个独立参数,改写了PDG传统公式。给出物质中的近似解析振荡公式，比传统PDG公式精度更好。提出了约束最大CP破坏(CMCPV)的新概念，提出和证明了关于CMCPV起源的普遍定理。