LHC和超高能强子对撞机上顶夸克与规范粒子或Higgs耦合特性的精确研究

One of the main objectives of the experiments at the high energy hadron colliders is to precisely test Standard Model (SM) and search for the clues of new physics beyond the SM. Precise tests of the top-quark couplings to gauge bosons or Higgs boson are effective ways to accomplish this task. Top quark pair production in association with vector bosons (or Higgs boson) at the Large Hadron Collider (LHC) and very high energy hadron colliders, is one of the most direct production processes to study the top-quark couplings to gauge bosons (or Higgs boson). To meet the experimental needs of high accuracy theoretical predictions for these production processes, we will completely calculate the next-to-leading order electroweak(NLO EW) corrections to these production processes in this project. It will provide precise theoretical foundations for the precise tests of top-quark couplings to gauge bosons (or Higgs boson). And then, we can precisely test the SM and search for the clues of new physics beyond the SM. In addition, this project also involves the infrared divergence induced by the interference of multi body final state Feynman diagrams in different orders, which is caused by mixed QCD and EW corrections. This is a key problem in the theory of particle physics, which needs to be solved urgently. Currently, there haven't been any researchs which can solve this problem, implementation of this project will fill this gap.

精确检验标准模型和寻找新物理存在的证据，是当前高能强子对撞机实验的主要任务之一。而对顶夸克与规范粒子或Higgs的耦合特性的精确检验，是完成此任务的有效途径。大型强子对撞机(LHC)和超高能强子对撞机上顶夸克对伴随规范粒子(或Higgs)的产生过程，是研究顶夸克与规范粒子(或Higgs)耦合特性的最直接的过程之一。为满足实验上对这些过程理论预言的高精度要求，本项目将完整的计算这些过程的次领头阶电弱(NLO EW)辐射修正，这将为实验上检验顶夸克与规范粒子(或Higgs)的耦合特性，进而检验标准模型理论和寻找新物理存在的证据，提供更加精确的理论支撑。此外本项目研究内容还涉及到，因QCD和EW混合修正带来的，多体末态产生过程不同阶费曼图干涉的红外发散处理问题，这是当前粒子物理理论的一个急需解决的难点，目前国内外还没有相关的研究工作在这个问题上有所突破，本项目的开展将填补这一空白。

高能对撞机最重要的物理实验目标是要精确检验标准模型以及探索标准模型以外的新物理。而对顶夸克与规范玻色子耦合特性、Higgs的稀有衰变道以及四规范玻色子耦合特性的精确检验，是完成此任务的有效途径。本项目主要对高能对撞机上的下述产生过程进行了精确研究：顶夸克对伴随光子的产生过程、Z玻色子对伴随光子产生过程(其中在次领头阶可以检验Higgs通过稀有衰变道衰变为Z玻色子和光子)、三光子产生过程（该过程是Higgs和光子伴随产生的重要背景过程,也可用于检验四规范玻色子耦合）。为满足实验上对这些过程理论预言的高精度要求，本项目完整的计算了这些过程的次领头阶电弱辐射修正，结果表明次领头阶电弱修正是十分可观的，这为实验上检验顶夸克与光子的耦合特性、Higgs的稀有衰变道以及矢量玻色子耦合特性，进而检验标准模型理论和寻找新物理存在的证据，提供了更加精确的理论依据，我们的研究结果已经被欧洲大型强子对撞机上的ATLAS合作组采用。此外本项目的研究内容还涉及到，因QCD和EW混合修正带来的多体末态产生过程不同阶费曼图干涉的红外发散问题、三个以上零质量末态粒子产生过程的理论计算和事例判选问题，这些均是当前粒子物理理论急需解决的难点，本项目的开展有效的解决了这些难题，为高能物理的理论计算提供了一些可借鉴的解决方法。